DE3789328T2 - Method and system for determining the position of a moving platform, for example a ship, using the signals from GPS satellites. - Google Patents

Method and system for determining the position of a moving platform, for example a ship, using the signals from GPS satellites.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Position auf der Erde von einer sich bewegenden Plattform aus, beispielsweise einem Schiff, und insbesondere ein Verfahren oder eine Vorrichtung, welche Signale von den NAVSTAR-Globalpositionierungs- Systemsatelliten verwenden, im allgemeinen als GPS-Satelliten bezeichnet. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen 1 und 24 angegeben ist, bei zivilen GPS-Empfängern einsetzbar, also Empfängern, welche keine Kenntnis der potentiell nicht verfügbaren P-Code-Komponente der GPS-Signale zur Bestimmung der Positionsinformation verwenden.The present invention relates generally to a method and apparatus for measuring position on the earth from a moving platform, such as a ship, and more particularly to a method or apparatus using signals from the NAVSTAR Global Positioning System satellites, commonly referred to as GPS satellites. In particular, the present invention, as defined in the appended claims 1 and 24, is applicable to civil GPS receivers, i.e. receivers which do not use knowledge of the potentially unavailable P-code component of the GPS signals to determine position information.

Konventionelle, zivile GPS-Empfänger verwenden gleichzeitige "Pseudobereichs", mit anderen Worten Gruppenverzögerungs-Beobachtungen der C/A-Code-Komponenten der Signale im L1-Band, die von mehreren GPS-Satelliten empfangen werden, um Positionsinformation zu bestimmen. Eine Hauptquelle von Positionsfehlern bei derartigen, konventionellen GPS-Empfängern stellt die Mehrwegausbreitung dar. Mehrwegfehler können durch zeitliche Mittlung von Beobachtungen verringert werden, die aus einer fixierten Position heraus gemacht werden. Allerdings kann eine konventionelle Zeitmittlung nicht zur Erhöhung der Genauigkeit von Empfängern auf Schiffen verwendet werden, da die sich ergebende Positionsinformation sich auf die mittlere Position des Schiffes während des Beobachtungszeitraums beziehen würde, nicht auf die momentane Position.Conventional civilian GPS receivers use simultaneous "pseudorange", in other words, group delay observations of the C/A code components of the L1 band signals received from multiple GPS satellites to determine position information. A major source of position errors in such conventional GPS receivers is multipath. Multipath errors can be reduced by time averaging observations made from a fixed position. However, conventional time averaging cannot be used to increase the accuracy of ship-based receivers because the resulting position information would relate to the ship's average position during the observation period, not its instantaneous position.

Positionsfehler ergeben sich auch infolge von Gruppenverzögerungseffekten in der Ionosphäre bei derartigen Pseudobereichs- Messungen. Die Größe der Verzögerung, die ein Signal in der Ionosphäre erfährt, variiert abhängig von lokalen Bedingungen und läßt sich nicht mit ausreichender Genauigkeit vorhersagen, so daß sie bei Positionsmessungen ausgeschaltet werden könnte, die von GPS-Empfängern vorgenommen werden. Allerdings sind die Größen derartiger Fehler frequenzabhängig, und können aus gleichzeitigen Messungen von Signalen in unterschiedlichen Frequenzbändern festgestellt werden. Insbesondere wurde das GPS-System so ausgelegt, daß gleichzeitige Messungen von Signalen in den Bändern L1 und L2 zur Bestimmung der Ionosphärenverzögerung verwendet werden konnte. Diese Vorgehensweise wird routinemäßig bei militärischen GPS-Empfängern eingesetzt. Konventionelle zivile Empfänger messen die C/A-Code-Gruppenverzögerung in dem L1-Band, können jedoch keine L2-Band-C/A-Code- Gruppenverzögerungsmessungen durchführen, da momentan die C/A- Code-Modulierung nicht bei Signalen eingesetzt wird, die in dem L2-Band übertagen werden. Daher lassen sich gleichzeitige Messungen für beide L-Bandsignale nicht einfach durchführen.Position errors also arise due to group delay effects in the ionosphere in such pseudorange measurements. The amount of delay a signal experiences in the ionosphere varies depending on local conditions and cannot be predicted with sufficient accuracy to be eliminated from position measurements made by GPS receivers. However, the magnitudes of such errors are frequency dependent, and can be determined from simultaneous measurements of signals in different frequency bands. In particular, the GPS system was designed so that simultaneous measurements of signals in the L1 and L2 bands could be used to determine the ionospheric delay. This approach is routinely used in military GPS receivers. Conventional civilian receivers measure the C/A code group delay in the L1 band, but cannot make L2 band C/A code group delay measurements because C/A code modulation is not currently used on signals transmitted in the L2 band. Therefore, simultaneous measurements for both L-band signals cannot be easily made.

Im allgemeinen weisen konventionelle, zivile Empfänger eine begrenzte Genauigkeit auf, infolge ihrer Abhängigkeit von der Gruppenverzögerung, und da es bei ihnen erforderlich ist, einen Code zu kennen, der die Signale in einem GPS-Band moduliert, um die Gruppenverzögerung der in diesem Band empfangenen Signale zu messen. Beispielsweise schätzt das U.S.-Patent Nr. 4 578 678 die Gruppenverzögerung ab unter Verwendung der Kenntnis entweder des P- oder C/A-Codes.In general, conventional civilian receivers have limited accuracy due to their dependence on group delay and because they require knowledge of a code that modulates the signals in a GPS band in order to measure the group delay of signals received in that band. For example, U.S. Patent No. 4,578,678 estimates group delay using knowledge of either the P or C/A code.

Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Patentansprüchen verdeutlicht.Various aspects of the present invention are set forth in the appended claims.

Beispiele für die vorliegende Erfindung stellen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur exakten Bestimmung von Positionsinformation unter Verwendung von Signalen zur Verfügung, die von GPS-Satelliten gesendet und auf beweglichen Plattformen empfangen werden, beispielsweise Schiffen, unabhängig von einer Kenntnis der P-Code-Komponente der Signale. Eine exakte Messung des Abstands des Schiffes zu jedem Satelliten erfolgt auf der Grundlage der L1-Zentrumsfrequenz-Trägerphase. Eine Korrektur für Ionosphäreneffekte wird durch gleichzeitige Beobachtung der Gruppenverzögerungen der P-Code-Modulationen mit großer Bandbreite sowohl im L1- als auch im L2-Band festgelegt. Diese Gruppenverzögerungen werden dadurch bestimmt, daß die Phasen von Trägerwellen gemessen werden, die in den Signalen mit verbreitertem Spektrum enthalten sind, die in beiden Bändern empfangen werden. Diese Träger werden aus den Signalen des L1- und L2-Bandes von jedem Satelliten ohne Kenntnis des P-Codes rekonstruiert. Die unbekannten systematischen Fehler bei den Bereichsmessungen der L1-Zentrumsfrequenz-Trägerphase werden aus gleichzeitigen Pseudobereichs- Messungen mit Zeitmittlung festgestellt. Die momentane Position des Schiffes kann dann aus den so bestimmten Bereichen ermittelt werden, wobei sowohl die systematischen Fehler als auch die Ionosphäreneffekte ausgeschaltet wurden.Examples of the present invention provide a method and apparatus for accurately determining position information using signals transmitted by GPS satellites and received on mobile platforms, such as ships, independent of a knowledge of the P-code component of the signals. An accurate measurement of the ship's distance to each satellite is made based on the L1 center frequency carrier phase. A correction for ionospheric effects is determined by simultaneously observing the group delays of the wide bandwidth P-code modulations in both the L1 and L2 bands. These group delays are determined by measuring the phases of carrier waves contained in the broadened spectrum signals received in both bands. These carriers are reconstructed from the L1 and L2 band signals from each satellite without knowledge of the P-code. The unknown systematic errors in the range measurements of the L1 center frequency carrier phase are determined from simultaneous time-averaging pseudorange measurements. The instantaneous position of the ship can then be determined from the ranges thus determined, with both the systematic errors and the ionospheric effects eliminated.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung, und um zu zeigen, wie diese ausgeführt werden kann, erfolgt nun eine beispielhafte Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigt:For a better understanding of the present invention, and to show how it may be carried into effect, reference will now be made, by way of example, to the accompanying drawings in which:

Fig. 1 ein System zur Bestimmung von Positionsinformation unter Verwendung von Signalen, die auf einem Schiff von GPS- Satelliten empfangen werden, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;Fig. 1 shows a system for determining position information using signals received on a ship from GPS satellites in accordance with a preferred embodiment of the present invention;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Endgeräts zum Empfang von GPS-Signalen, welches sowohl an Bord von Schiffen als auch bei Geräten an Land verwendet werden kann, entsprechend dem in Fig. 1 gezeigten System;Fig. 2 is a block diagram of a terminal for receiving GPS signals, which can be used both on board ships and on land-based devices, corresponding to the system shown in Fig. 1;

Fig. 3 ein detaillierteres Blockschaltbild des Empfänger- Subsystems und zugehöriger Elemente des in Fig. 2 gezeigten Endgeräts;Fig. 3 is a more detailed block diagram of the receiver subsystem and associated elements of the terminal shown in Fig. 2;

Fig. 4 ein detailliertes Signalflußdiagramm des Subsystems zum Herunterwandeln der Radiofrequenz auf Videofrequenz des in Fig. 3 gezeigten Empfängers;Fig. 4 is a detailed signal flow diagram of the radio frequency to video frequency downconversion subsystem of the receiver shown in Fig. 3;

Fig. 5 ein detailliertes Signalflußdiagramm eines der Subsysteme für die fo-Trägerrekonstruktion und die Herunterwandlung des in Fig. 3 gezeigten Empfängers;Fig. 5 is a detailed signal flow diagram of one of the fo carrier reconstruction and downconversion subsystems of the receiver shown in Fig. 3;

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines der Satellitenverfolgungskanäle, die in dem in Fig. 2 gezeigten Endgerät dargestellt sind;Fig. 6 is a block diagram of one of the satellite tracking channels shown in the terminal shown in Fig. 2;

Fig. 7 ein Blockschaltbild des Subsystems für die 308-fo- Trägerphase und den C/A-Code-Verzögerungsfehlerdetektor des Satellitenverfolgungskanals gemäß Fig. 6;Fig. 7 is a block diagram of the 308 fo carrier phase and C/A code delay error detector subsystem of the satellite tracking channel of Fig. 6;

Fig. 8 eine Reihe graphischer Darstellungen von Zeigern in der komplexen Ebene, die Signale in verschiedenen anderen Figuren repräsentieren;Fig. 8 is a series of graphical representations of phasors in the complex plane representing signals in various other figures;

Fig. 9 ein Blockschaltbild eines der Zeierzählerrotatoren, die in dem Fehlerdetektorsystem von Fig. 7 gezeigt sind, und von Wahrheitstabellen, die sich auf ihren Betrieb beziehen;Fig. 9 is a block diagram of one of the counter rotators shown in the error detection system of Fig. 7 and truth tables relating to their operation;

Fig. 10 ein Blockschaltbild des Korrelators, der in dem in Fig. 7 gezeigten Fehlerdetektorsystem gezeigt ist;Fig. 10 is a block diagram of the correlator used in the error detection system shown in Fig. 7;

Fig. 11 ein Blockschaltbild des C/A-Code-Generators, der in dem in Fig. 7 gezeigten Fehlerdetektorsystem gezeigt ist;Fig. 11 is a block diagram of the C/A code generator used in the error detection system shown in Fig. 7 is shown;

Fig. 12 ein Blockschaltbild des fo-Trägerphasendetektors, der in dem in Fig. 6 gezeigten Satellitenverfolgungskanal dargestellt ist;Fig. 12 is a block diagram of the fo carrier phase detector included in the satellite tracking channel shown in Fig. 6;

Fig. 13 ein Blockschaltbild des Registersubsystems des in Fig. 6 gezeigten Satellitenverfolgungskanals;Fig. 13 is a block diagram of the register subsystem of the satellite tracking channel shown in Fig. 6;

Fig. 14 ein detailliertes Signalflußdiagramm des in Fig. 2 gezeigten Gesamtsystems; undFig. 14 is a detailed signal flow diagram of the overall system shown in Fig. 2; and

Fig. 15 alternative Ausführungsformen von Observablen-Kombinationseinrichtungen zum Kombinieren der impliziten Trägerphasenobservablen Φ für 308 fo, der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ, der impliziten fo-Trägerphasenobservablen ψL1 für das L1-Band, und der impliziten fo- Trägerphasenobservablen ψL2 für das L2-Band, um eindeutig eine Position zu ermitteln, die relativ frei von ionosphärischen Störungen ist.Fig. 15 shows alternative embodiments of observable combining means for combining the implicit carrier phase observable φ for 308 fo, the C/A code group delay observable τ, the implicit fo carrier phase observable ψL1 for the L1 band, and the implicit fo carrier phase observable ψL2 for the L2 band to unambiguously determine a position that is relatively free of ionospheric disturbances.

1. Das GPS-System1. The GPS system

Die nachfolgende Beschreibung des GPS-Systems und der Struktur seiner Signale wird zur Klarheit und zur Erleichterung der Erläuterung der Erfindung gegeben. Eingehendere Diskussionen sind in der Literatur verfügbar.The following description of the GPS system and the structure of its signals is provided for clarity and to facilitate explanation of the invention. More detailed discussions are available in the literature.

Die hauptsächlich interessierenden Signale zur Bestimmung der Position werden von jedem GPS-Satelliten in denselben zwei Frequenzbändern übertragen, von denen das eine als das L1- Band bekannt ist, und das andere als das L2-Band.The signals of primary interest for determining position are transmitted by each GPS satellite in the same two frequency bands, one known as the L1 band and the other as the L2 band.

Innerhalb jedes dieser GPS-Bänder ist das übertragene Signale ein breitbandiges, rauschartiges, pseudostatisches Signal, welches keine diskreten Spektralkomponenten enthält. Die Signale werden daher als Signale mit unterdrücktem Träger bezeichnet.Within each of these GPS bands, the transmitted signal is a broadband, noise-like, pseudostatic signal, which does not contain any discrete spectral components. The signals are therefore referred to as suppressed carrier signals.

Der Begriff "Träger" wird hierbei im selben Sinn verwendet wie auf dem Radiogebiet, so daß daher ein Träger eine periodische Welle mit im wesentlichen konstanter Amplitude, Frequenz und Phase ist. Information kann übertragen oder "getragen" werden, indem die Amplitude, die Frequenz und/oder Phase eines derartigen Signals variiert wird. Ein Träger kann als "Subträger" bezeichnet werden, wenn seine Frequenz kleiner ist als die Bandbreite des Signals. Ein Signal kann mehrere Träger aufweisen. Man sagt beispielsweise bei einem Fernsehsendersignal, daß dieses einen Videoträger und einen Audioträger enthält.The term "carrier" is used here in the same sense as in the radio field, so that a carrier is a periodic wave of essentially constant amplitude, frequency and phase. Information can be transmitted or "carried" by varying the amplitude, frequency and/or phase of such a signal. A carrier can be called a "subcarrier" if its frequency is less than the bandwidth of the signal. A signal can have several carriers. For example, a television broadcast signal is said to contain a video carrier and an audio carrier.

Obwohl keine Träger in den gesendeten GPS-Signalen vorhanden sind, kann man sagen, daß implizit verschiedene Träger darin enthalten sind, so daß derartige Träger aus dem GPS-Signal wiedergewonnen oder rekonstruiert werden können.Although no carriers are present in the transmitted GPS signals, it can be said that various carriers are implicitly contained therein, so that such carriers can be recovered or reconstructed from the GPS signal.

Innerhalb jedes GPS-Satelliten stellt ein Frequenzstandard, beispielsweise eine Cäsiumatomstrahlvorrichtung, eine Fundamentalfrequenz von 5,115 Megahertz, als fo bezeichnet, zur Verfügung, von welcher sämtliche anderen kritischen Satellitenfrequenzen durch ganzzahliges Multiplizieren oder Dividieren abgeleitet werden. Die Frequenz des Zentralfrequenzträgers des L1-Bandes von GPS-Signalen beträgt das 308-fache von fo, oder 1575,42 Megahertz, und die Frequenz des Zentrumsfrequenzträgers des L2-Bandes ist das 240-fache von fo oder 1227,60 Megahertz. Die fo-Fundamentalfrequenz ist eine Trägerfrequenz, die aus den GPS-Signalen rekonstruiert werden kann.Within each GPS satellite, a frequency standard, such as a cesium atom beam device, provides a fundamental frequency of 5.115 megahertz, designated fo, from which all other critical satellite frequencies are derived by integer multiplication or division. The L1 band center frequency carrier frequency of GPS signals is 308 times fo, or 1575.42 megahertz, and the L2 band center frequency carrier frequency is 240 times fo, or 1227.60 megahertz. The fo fundamental frequency is a carrier frequency that can be reconstructed from the GPS signals.

GPS-Signale sind biphasisch oder vierphasisch moduliert. Insbesondere können Quadraturkomponenten eines L-Band-Zentrumsfrequenzträgers in dem Satelliten mit aperiodischen, pseudostatistischen, binär gewichteten Wellen m(t) und n(t) gemischt werden, welche mehrere implizite, periodische Trägerwellen enthalten. Die Polaritäts- oder Phasenumkehrungen von m(t) und n(t) sind so eingeschränkt, daß sie nur an Zeitpunkten auftreten, welche ganzzahlige Vielfache fester Zeitintervalle tm und tn sind, die als die Stückbreiten von m(t) bzw. n(t) bekannt sind. Wenn eine Polaritätsumkehrung bei jedem Vielfachen von tm aufträte, dann wäre m(t) eine periodische Rechteckwelle mit einer Frequenz von 1/(2 tm) Da die Polaritätsumkehrungen tatsächlich nur pseudostatistisch auftreten, im Mittel nur die Hälfte der Zeit, ist die 1/(2 tm)- Frequenzträgerwelle unterdrückt, ebenso wie der Träger der Bandzentrumsfrequenz.GPS signals are biphasic or quadriphasic modulated. In particular, quadrature components of an L-band center frequency carrier can be mixed in the satellite with aperiodic, pseudo-statistical, binary weighted waves m(t) and n(t) containing several implicit periodic carrier waves. The polarity or phase reversals of m(t) and n(t) are constrained to occur only at times that are integer multiples of fixed time intervals tm and tn, known as the slice widths of m(t) and n(t), respectively. If a polarity reversal occurred at every multiple of tm, then m(t) would be a periodic square wave with a frequency of 1/(2 tm) Since the polarity reversals actually only occur pseudo-randomly, on average only half the time, the 1/(2 tm) frequency carrier wave is suppressed, as is the carrier of the band center frequency.

Die Welle m(t) ist das Produkt mehrerer verschiedener Wellen, deren Zeitintervalle zwischen Polaritätsumkehrungen ganzzahlige Vielfache von tm sind. Daher sind implizit in den GPS- Signalen auch zusätzliche Träger enthalten, deren Frequenzen Untervielfachen von 1/(2 tm) entsprechen. Eine der Wellenformen, die zur Erzeugung von m(t) für die Signale des L1- Bandes verwendet wird, ist der C/A-Code, welcher eine für den Satelliten spezifische, pseudostatische Binärsequenz von 1023 Stücken darstellt, die periodisch mit einer Periode von 1 Millisekunde wiederholt werden, oder mit einer Frequenz von 1 Kilohertz. Für die C/A-Code-Komponente der Signale des L1-Bandes ist 1/(2 tm) gleich fo/10 oder 0,5115 Megahertz. Einen weiteren Faktor bei m(t) stellen die binären Navigationsdaten dar, die eine Stückbreite von 20 Millisekunden aufweisen, und daher eine Trägerfrequenz von 25 Hertz. Diese Daten umfassen die momentane Zeit, die von der Uhr des Satelliten angezeigt wird, eine Beschreibung der momentanen Position des Satelliten im Umlauf, und eine Beschreibung von Korrekturen, die bei der Zeit angebracht werden sollen, die durch die Uhr des Satelliten angegeben wird.The wave m(t) is the product of several different waves whose time intervals between polarity reversals are integer multiples of tm. Therefore, additional carriers are also implicitly included in the GPS signals, whose frequencies correspond to submultiples of 1/(2 tm). One of the waveforms used to generate m(t) for the L1 band signals is the C/A code, which is a satellite-specific pseudostatic binary sequence of 1023 pieces repeated periodically with a period of 1 millisecond, or at a frequency of 1 kilohertz. For the C/A code component of the L1 band signals, 1/(2 tm) is equal to fo/10 or 0.5115 megahertz. Another factor in m(t) is the binary navigation data, which has a piece width of 20 milliseconds, and therefore a carrier frequency of 25 hertz. This data includes the current time shown by the satellite clock, a description of the current Position of the satellite in the orbit, and a description of any corrections to be made to the time given by the satellite's clock.

Das konventionelle Verfahren zur Bestimmung der Position eines Empfängers von Signalen, die von GPS-Satelliten empfangen werden, verwendet Beobachtungen der Zeiten, die von den Satellitenuhren angegeben werden, wie sie sich in den gesendeten binären Navigationsdaten widerspiegeln. Typischerweise werden vier verschiedene Satelliten gleichzeitig beobachtet. Wie nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 8E erläutert ist, enthält zu einem Zeitpunkt, wenn eine Uhr in dem Empfänger eine Zeit tR angibt, die Modulation der Signale, welche von dem i-ten Satelliten empfangen werden, in ihren Navigationsdaten eine Satellitenuhranzeige ti, und Satellitenpositionskoordinaten xi, yi und zi. Zur Erleichterung der Beschreibung wird angenommen, daß irgendwelche angegebenen Uhrkorrekturen bereits angebracht wurden.The conventional method for determining the position of a receiver from signals received from GPS satellites uses observations of the times indicated by the satellite clocks as reflected in the transmitted binary navigation data. Typically, four different satellites are observed simultaneously. As explained below with reference to Fig. 8E, at a time when a clock in the receiver indicates a time tR, the modulation of the signals received from the i-th satellite includes in its navigation data a satellite clock indication ti, and satellite position coordinates xi, yi, and zi. For ease of description, it is assumed that any indicated clock corrections have already been applied.

Wäre die Uhr des Empfängers mit jener des Satelliten synchronisiert, dann wäre die Differenz zwischen tR und ti genau gleich der Signalausbreitungszeit zwischen Satelliten und Empfänger. Die Entfernung oder "der Bereich" vom Satelliten zum Empfänger könnte dann durch Multiplizieren dieser Zeitdifferenz mit der Lichtgeschwindigkeit ermittelt werden. Da die Uhren nicht synchronisiert sind, weist der durch dieses Verfahren ermittelte Bereich einen systematischen Fehler mit unbekanntem Betrag auf, gleich der Abweichung von der Synchronisierung tR, multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit. Derartige Bereichsmessungen sind als "Pseudobereichs-"Messungen bekannt.If the receiver's clock were synchronized with that of the satellite, the difference between tR and ti would be exactly equal to the signal propagation time between the satellite and the receiver. The distance or "range" from the satellite to the receiver could then be determined by multiplying this time difference by the speed of light. Since the clocks are not synchronized, the range determined by this method has a systematic error of unknown magnitude, equal to the deviation from synchronization tR multiplied by the speed of light. Such range measurements are known as "pseudorange" measurements.

ΔtR kann gleichzeitig mit den drei Positionskoordinaten xR, yR und zR des Empfängers dadurch ermittelt werden, daß vier gleichzeitige Beobachtungen des Pseudobereichs bei vier geeignet positionierten Satelliten vorgenommen werden, und vier gekoppelte algebraische Gleichungen gelöst werden, welche diese vier Unbekannten betreffen, entsprechend bekannter Vorgehensweisen.ΔtR can be determined simultaneously with the three position coordinates xR, yR and zR of the receiver by that four simultaneous observations of the pseudorange are made from four suitably positioned satellites, and four coupled algebraic equations are solved concerning these four unknowns according to known procedures.

Derartige konventionelle Messungen der anscheinenden Ausbreitungszeitverzögerung, die als Gruppenverzögerung bekannt ist, werden durch Mehrwegausbreitungs- und Ionosphäreneffekte begrenzt. Der Begriff "Mehrweg" betrifft den gleichzeitigen Empfang von Signalen, welche die Empfangsantenne über unterschiedliche Wege von der Sendeantenne aus erreicht haben. Schädliche Mehrwegeffekte ergeben sich am häufigsten aufgrund der Reflexion von Signalen von Objekten nahe dem Empfänger. Selbst schwache Mehrwegeffekte können die Positionsgenauigkeit, die bei Pseudobereichs-Empfängern verfügbar ist, ernsthaft beschränken.Such conventional measurements of the apparent propagation time delay, known as group delay, are limited by multipath and ionospheric effects. The term "multipath" refers to the simultaneous reception of signals that have reached the receiving antenna via different paths from the transmitting antenna. Harmful multipath effects most often arise due to reflection of signals from objects near the receiver. Even weak multipath effects can severely limit the position accuracy available from pseudorange receivers.

Mehrwegeffekte treten häufig in Form statistisch schwankenden Rauschens auf und können durch einfache Zeitmittlung der Beobachtungen verringert werden, solange die Position des Empfängers festgehalten wird. Weiterhin ist bekannt, daß Mehrwegeffekte allgemein die Phasenverzögerung eines Signals erheblich geringer als die Gruppenverzögerung beeinträchtigen. Daher ist die Schwankung des Bereichs, die sich aus der Zentrumsfrequenzträgerphase ergibt, erheblich geringer als jene des Bereiches, der aus der Code-Modulation eines GPS-Signals ermittelt wird.Multipath effects often occur in the form of statistically varying noise and can be reduced by simply time averaging the observations as long as the position of the receiver is fixed. Furthermore, it is known that multipath effects generally affect the phase delay of a signal significantly less than the group delay. Therefore, the variation in the range resulting from the center frequency carrier phase is significantly less than that of the range obtained from the code modulation of a GPS signal.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Funksignals durch die Ionosphäre unterscheidet sich von der Geschwindigkeit desselben Signals durch andere Medien, beispielsweise das Weltraumvakuum oder die Troposphäre der Erde. Ionosphärenausbreitungseffekte begrenzen die Genauigkeit konventioneller, ziviler Positionsmessungen, die mittels Pseudobereichsmessungen durchgeführt werden, da die Ionosphäre die Ausbreitung der Signalmodulation um einen unbekannten Betrag verzögern kann. Dieser Betrag kann zeitlich und ortsabhängig auf unbekannte Weise variieren, ist jedoch auf exakt bekannte Weise frequenzabhängig. Die Gruppenverzögerung, die durch die Ionosphäre auf einen bestimmten Ausbreitungsweg vom Satelliten zum Empfänger zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgeübt wird, ist bekanntlich umgekehrt proportional zum Quadrat der Zentrumsfrequenz des Bandes, in welchem das Signal empfangen wird.The speed of propagation of a radio signal through the ionosphere differs from the speed of the same signal through other media, such as the vacuum of space or the Earth's troposphere. Ionospheric propagation effects limit the accuracy of conventional, civil Position measurements made using pseudorange measurements because the ionosphere can delay the propagation of the signal modulation by an unknown amount. This amount can vary with time and location in unknown ways, but is frequency dependent in a precisely known way. The group delay imposed by the ionosphere on a given propagation path from the satellite to the receiver at a given time is known to be inversely proportional to the square of the center frequency of the band in which the signal is received.

2. Die bevorzugte Ausführungsform2. The preferred embodiment Fig. 1Fig.1

In Fig. 1 ist ein System gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, zur Ermittlung der Position eines Schiffes 10 aus der Beobachtung der mehreren GPS-Satelliten, die durch GPS 12, GPS 13 und GPS 14 dargestellt sind, die momentan für das Schiff 10 sichtbar sind.In Fig. 1, a system according to a preferred embodiment of the present invention is shown for determining the position of a vessel 10 from observation of the plurality of GPS satellites represented by GPS 12, GPS 13 and GPS 14 that are currently visible to the vessel 10.

Entsprechend der momentanen Auslegung des GPS-Systems wird ein Minimum von 18 GPS-Satelliten etwa 1988 verfügbar sein. Die Art ihrer Anordnung wird sicherstellen, daß von jedem Punkt der Erde aus ständig zumindest vier Satelliten sichtbar sein werden. Die vorliegende Erfindung kann am besten Positionsinformation ermitteln, wenn mindestens vier Satelliten während eines Beobachtungszeitraums sichtbar sind. Zufriedenstellende Messungen können durchgeführt werden, wenn zum selben Zeitpunkt nur drei Satelliten sichtbar sind, wenn eine Unbekannte nicht ermittelt werden muß, beispielsweise die Höhe des Phasenzentrums der Empfangsantenne oberhalb des Meeresspiegels.According to the current design of the GPS system, a minimum of 18 GPS satellites will be available by about 1988. The way they are arranged will ensure that at least four satellites will be visible at all times from any point on the earth. The present invention can best determine position information when at least four satellites are visible during an observation period. Satisfactory measurements can be made when only three satellites are visible at the same time if an unknown does not have to be determined, for example the height of the phase center of the receiving antenna above sea level.

Während des Betriebs des erfindungsgemäßen Systems erfolgen auf dem Schiff 10 Messungen von zumindest vier Observablen von GPS-Signalen 15, die von jedem der GPS-Satelliten gesendet werden, beispielsweise GPS12, GPS13 und GPS14, und auf dem Schiff über die Antenne 22 empfangen werden. Diese vier Observalen sind:During operation of the system according to the invention, measurements are made on the ship 10 of at least four observables of GPS signals 15 transmitted by each of the GPS satellites, for example GPS12, GPS13 and GPS14, and received on the ship via the antenna 22. These four observables are:

a) die Observable Φ für die implizite 308-fo-Trägerphase des L1-Zentrumsfrequenzträgers;a) the observable Φ for the implicit 308-fo carrier phase of the L1 center frequency carrier;

b) die C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservable τ der C/A-Code- Komponente der L1-Bandsignale (auch als Pseudoorange-Bereich bekannt);b) the C/A code group delay observable τ of the C/A code component of the L1 band signals (also known as the pseudo-orange region);

c) die Observable ψL1 der impliziten fo-Trägerphase des L1-Bandes des Fundamentalfrequenz-fo-Subträgers, der in den Signalen implizit enthalten ist, die in dem L1-Band empfangen werden; undc) the L1 band implicit fo carrier phase observable ΨL1 of the fundamental frequency fo subcarrier implicitly contained in the signals received in the L1 band; and

d) die Observable ψL2 für die implizite fo-Trägerphase des L2-Bandes des Fundamentalfrequenz-fo-Subträgers, der in den in dem L2-Band empfangenen Signalen enthalten ist.d) the observable ΨL2 for the implicit fo carrier phase of the L2 band of the fundamental frequency fo subcarrier contained in the signals received in the L2 band.

Diese Observablen können entweder in Datenverarbeitungsanlagen an Bord des Schiffes 11 oder in einem Datenverarbeitungszentrum 20 verarbeitet werden, entweder in Echtzeit oder nachträglich, um Positionsinformation zu ermitteln. Zusätzlich können darüber hinaus Küstenstationen 16, 17 und 18 dazu verwendet werden, GPS-Signale 15 über Antennen 22 zu empfangen und Positionsinformation zu bestimmen, ebenso wie andere bestimmte Daten, die sich auf die GPS-Satelliten beziehen. Diese zusätzliche Information und/oder diese zusätzlichen Daten können Ephemerideninformation oder Umlaufpositionsinformation für jeden Satelliten enthalten, und ebenso erforderliche Satellituhrfehler- oder Synchronisierinformation, welche festgestellt werden muß.These observables may be processed either in data processing facilities on board the ship 11 or in a data processing center 20, either in real time or retrospectively, to determine position information. In addition, shore stations 16, 17 and 18 may also be used to receive GPS signals 15 via antennas 22 and determine position information, as well as other specific data relating to the GPS satellites. This additional information and/or data may include ephemeris information or orbital position information for each satellite, as well as required Satellite clock error or synchronization information that needs to be determined.

Momentan sind Satellitenephemerideninformation und Satellitenuhrsynchronisierungsinformation in den Navigationsnachrichten enthalten, die in den Signalen enthalten sind, die von den GPS-Satelliten gesendet werden, und können von zivilen Benutzern des GPS-System dekodiert und verwendet werden. Es besteht die Möglichkeit, daß derartige Information nicht immer zufriedenstellend verfügbar ist, entweder infolge von Begrenzungen ihrer Genauigkeit, oder aber durch absichtliche Verschlüsselung der Information aus militärischen Gründen. In jedem Fall ist es für zivile Einsätze mit hoher Genauigkeit wünschenswert, Umlaufbahninformation und Uhrfehler- oder Synchronisierungsinformation ermitteln zu können, ohne sich auf die gesendete Umlaufbahninformation verlassen zu müssen. Dies kann durch mehrere Bodenstationen erreicht werden, die in Zusammenarbeit mit den Empfängern an Bord der Schiffe arbeiten.At present, satellite ephemeris information and satellite clock synchronization information are included in the navigation messages contained in the signals transmitted by the GPS satellites and can be decoded and used by civilian users of the GPS system. It is possible that such information may not always be satisfactorily available, either due to limitations in their accuracy or due to deliberate encryption of the information for military reasons. In any event, for high-accuracy civilian operations it is desirable to be able to determine orbit information and clock error or synchronization information without having to rely on the transmitted orbit information. This can be achieved by several ground stations working in cooperation with the receivers on board ships.

Küstenstationen 16, 17 und 18 können Datenverarbeitungs-Subsysteme enthalten, oder es können derartige Subsysteme im Schiff 10 oder in einem getrennten Datenverarbeitungszentrum 20 vorgesehen sein, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Die Küstenstationen 16, 17 und 18 können miteinander, mit dem Schiff 10 und mit dem Datenverarbeitungszentrum 20 über eine Datenverbindung 21 kommunizieren. Das Datenverarbeitungszentrum 20 kann weiterhin Funkkommunikationsgeräte für die Übertragung von Daten zum und vom Schiff 10 als Teil der Datenverbindung 21 aufweisen, obwohl eine derartige Funkkommunikation nicht zur Bestimmung der Positionsinformation für einige Zwecke erforderlich sein muß. Rohdaten können auf dem Schiff 10 gesammelt und später durch irgendeine geeignete, nicht gezeigte Einrichtung an das Datenverarbeitungszentrum 20 für eine nachträgliche Verarbeitung übertragen werden. Wenn allerdings die Positionsinformation für Navigationszwecke in Echtzeit zur Verwendung durch das Schiff 10 zur Aufrechterhaltung seines eigenen Kurses ermittelt wird, kann die voranstehend erwähnte Funkkommunikationsverbindung zum ordnungsgemäßen Betrieb des Systems wohl erforderlich sein.Shore stations 16, 17 and 18 may include data processing subsystems, or such subsystems may be provided on the ship 10 or in a separate data processing center 20, as shown in Fig. 1. The shore stations 16, 17 and 18 may communicate with each other, with the ship 10 and with the data processing center 20 via a data link 21. The data processing center 20 may further include radio communication devices for transmitting data to and from the ship 10 as part of the data link 21, although such radio communication may not be required to determine position information for some purposes. Raw data may be collected on the ship 10 and later processed by any suitable means, not shown. facility to the data processing center 20 for subsequent processing. However, if the position information is determined for navigation purposes in real time for use by the ship 10 in maintaining its own course, the above-mentioned radio communication link may well be necessary for the proper operation of the system.

Die Küstenstation 18 kann auch dazu eingesetzt werden, relative Positionsmessungen zuzulassen, also Messungen der Position des Schiffes 10 in bezug auf die Küstenstation 18. Derartige Messungen werden auch "Standlinienmessungen" genannt, wobei der Relativpositionsvektor, der sich von der Küstenstation 18 zum Schiff 10 erstreckt, als der Standlinienvektor bezeichnet wird. Es ist bekannt, daß derartige Relativmessungen erheblich genauer sein können als Einzelpunktpositionsmessungen, die vom Schiff 10 allein durchgeführt werden, da bestimmte Meßfehler an beiden Enden der Standlinie gemeinsam auftreten und sich ausgleichen können, wenn die Beobachtungen am Schiff 10 und der Küstenstation 18 kombiniert werden.The shore station 18 may also be used to allow relative position measurements, that is, measurements of the position of the vessel 10 with respect to the shore station 18. Such measurements are also called "line-of-position measurements," where the relative position vector extending from the shore station 18 to the vessel 10 is referred to as the line-of-position vector. It is known that such relative measurements can be significantly more accurate than single point position measurements made by the vessel 10 alone, since certain measurement errors occur together at both ends of the line of position and can cancel out when the observations at the vessel 10 and the shore station 18 are combined.

Konventionellerweise wird ein Ende einer Standlinie so ausgewählt, daß es ein bekannter Ort ist, beispielsweise ein Erdvermessungspunkt. Bei den hier beschriebenen Systemen ist es am bequemsten, die Küstenstation, die ein Ende der Standlinie bildet, an dem bekannten Ort anzuordnen. Die Position des Schiffes kann dann als der Endpunkt des Standlinienvektors berechnet werden, der vom bekannten Ort ausgeht. Selbstverständlich ist eine relativ kurze Entfernung zwischen dem Schiff 10 und der Küstenstation 18 wünschenswert. Dies kann in der Praxis nicht immer gegeben sein. Die einzige echte Begrenzung für die Länge der Standlinie, also die maximal zulässige Entfernung zwischen dem Schiff 10 und der nächsten Küstenstation besteht darin, daß derselbe GPS-Satellit für beide Enden der Standlinie sichtbar sein muß, wenn gleichzeitige Beobachtungen an beiden Enden direkt zur Auslöschung gemeinsamer Fehler ausgewertet werden sollen.Conventionally, one end of a position line is chosen to be a known location, such as a survey point. In the systems described here, it is most convenient to locate the shore station forming one end of the position line at the known location. The position of the vessel can then be calculated as the end point of the position line vector emanating from the known location. Of course, a relatively short distance between the vessel 10 and the shore station 18 is desirable. This may not always be the case in practice. The only real limitation on the length of the position line, i.e. the maximum permissible distance between the vessel 10 and the nearest shore station, is that the same GPS satellite is used for both ends of the The base line must be visible if simultaneous observations at both ends are to be directly evaluated to cancel out common errors.

Die Endgeräteabschnitte der Küstenstationen 16, 17 und 18 können identisch zu den Endgeräten auf dem Schiff 11 aufgebaut und/oder betrieben sein bzw. werden. Es kann allerdings vorzuziehen sein, daß die Küstenstationen 16, 17 und 18 zusätzliche Observable messen, die nicht auf dem Schiff 10 erforderlich sind, einschließlich von Beobachtungen der Phase des Zentralfrequenzträgers der Signale des L2-Bandes. Die gleichzeitige Beobachtung der Phasen der Zentrumsfrequenzträger von beiden Bändern kann eine exaktere Bestimmung der Ionosphärenverzögerung zur Folge haben, und daher der Satellitenumlaufbahnen und der Position des Schiffes 10. Das Endgerät 23 des Schiffes 10, welches wie voranstehend erwähnt auch in den Küstenstationen 16, 17 und 18 eingesetzt werden kann, wird im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert.The terminal sections of the shore stations 16, 17 and 18 may be constructed and/or operated identically to the terminals on the ship 11. However, it may be preferable for the shore stations 16, 17 and 18 to measure additional observables not required on the ship 10, including observations of the phase of the center frequency carrier of the L2 band signals. Simultaneous observation of the phases of the center frequency carriers of both bands may result in a more accurate determination of the ionospheric delay, and hence of the satellite orbits and the position of the ship 10. The terminal 23 of the ship 10, which as mentioned above may also be used in the shore stations 16, 17 and 18, will be explained in more detail with reference to Fig. 2.

Fig. 2Fig.2

In Fig. 2 ist das Endgerät 23 in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Wie bereits erwähnt können identische Endgeräte 23 sowohl in den Küstenstationen 16, 17 und 18 als auch an Bord des Schiffes 10 verwendet werden, obwohl es vorzuziehen sein kann, zusätzliche Geräte innerhalb der Endgeräte 23 auf dem Schiff 10 oder in den Küstenstationen 16, 17 und 18 vorzusehen, beispielsweise unkodierte L2-Zentrumsfrequenzträger-Phasenverfolgungskanäle zur Bestimmung vom Umlaufdaten.In Fig. 2, the terminal 23 is shown in block diagram form. As previously mentioned, identical terminals 23 may be used both in the shore stations 16, 17 and 18 and on board the ship 10, although it may be preferable to provide additional equipment within the terminals 23 on the ship 10 or in the shore stations 16, 17 and 18, for example uncoded L2 center frequency carrier phase tracking channels for determining orbital data.

Das Endgerät 23 ist vorzugsweise in einem geschützten Geräteraum im Schiff 10 angeordnet, zusammen mit anderen komplexen elektronischen Schiffsgeräten. Allerdings muß es an die Antenne 22 angeschlossen sein, die oberhalb des Decks des Schiffes 10 angebracht ist, vorzugsweise auf einem (nicht gezeigten) hohen Mast, oberhalb von möglicherweise störenden Aufbauten, und so weit wie möglich von diesem entfernt, beispielsweise Metalldeckplatten und Aufbauten, welche Fehler verschlimmern könnten, die durch Mehrwegeffekte hervorgerufen werden.The terminal 23 is preferably located in a protected equipment room in the ship 10, together with other complex electronic ship equipment. However, it must be connected to the Antenna 22 mounted above the deck of vessel 10, preferably on a high mast (not shown), above and as far away as possible from potentially interfering superstructures, such as metal deck plates and superstructures, which could exacerbate errors caused by multipath effects.

Die Antenne 22 empfängt GPS-Signale 15 von den mehreren, zu diesem Zeitpunkt sichtbaren GPS-Satelliten, von denen nur der GPS-Satellit 12 in dieser Fig. 2 gezeigt ist. L-Band-GPS- Signale 15 werden von der Antenne 22 dem Empfänger 24 innerhalb des Endgerätes 23 zugeführt, welcher auch das 4-fo- Konstantfrequenzbezugssignal 26 empfängt, welches von einem Frequenzstandard 28 erzeugt wird. Der Frequenzstandard 28 kann ein speziell ausgebildeter Cäsiumatomstrahl-Standard sein, der ein Konstantfrequenz-Ausgangssignal exakt bei 20,46 Megahertz zur Verfügung stellt, nämlich dem Vierfachen der Fundamentalfrequenz fo des Satelliten. Andererseits kann es einfacher und billiger sein, einen einfacher erhältlichen Cäsiumatomstrahl-Standard mit 5 Megahertz zu verwenden, und einen Frequenzsynthesizer, der nicht gezeigt ist, um das Standardsignal von 5 Megahertz auf das gewünschte Konstantfrequenz- Bezugssignal von 4 fo bei 20,46 Megahertz umzuwandeln.The antenna 22 receives GPS signals 15 from the several GPS satellites visible at the time, of which only the GPS satellite 12 is shown in this Figure 2. L-band GPS signals 15 are fed from the antenna 22 to the receiver 24 within the terminal 23, which also receives the 4-fo constant frequency reference signal 26 generated by a frequency standard 28. The frequency standard 28 may be a specially designed cesium atom beam standard that provides a constant frequency output signal exactly at 20.46 megahertz, four times the fundamental frequency fo of the satellite. On the other hand, it may be simpler and cheaper to use a more readily available 5 megahertz cesium atomic beam standard and a frequency synthesizer, not shown, to convert the 5 megahertz standard signal to the desired constant frequency reference signal of 4 fo at 20.46 megahertz.

Der Empfänger 24 wird zur Herunterwandlung der GPS-Signale 15 verwendet; der Empfänger 24 dient daher dazu, Ausgangssignale 30 zur Verfügung zu stellen, welche eine verhältnismäßig niedrige Frequenz aufweisen, verglichen mit den L-Band-Mikrowellenfunksignalen, die von der Antenne 22 von dem GPS 12 empfangen werden. Signale 30 werden mehreren Satellitenverfolgungskanälen 32 zugeführt. Ein einzelner Satellitverfolgungskanal 32 ist für jeden Satelliten erforderlich, der in einem bestimmten Beobachtungszeitraum beobachtet werden soll.Receiver 24 is used to down-convert GPS signals 15; receiver 24 therefore serves to provide output signals 30 which are relatively low in frequency compared to the L-band microwave radio signals received by antenna 22 from GPS 12. Signals 30 are fed to multiple satellite tracking channels 32. A single satellite tracking channel 32 is required for each satellite to be observed in a given observation period.

Der Satellit, der durch jeden Satellitenverfolgungskanal 32 beobachtet werden soll, wird durch die Satellitenzuordnung 41 vom Echtzeitcomputer 40 festgelegt. Das Endgerät 23 kann sechs Satellitenverfolgungskanäle aufweisen, um Redundanz zu erzielen, obwohl im Normalbetrieb nur vier Satellitenkanäle erforderlich sind. Es stellt einen guten Brauch im Betrieb dar, mehr als die Minimalanzahl von Satelliten zu jedem Zeitpunkt zu verfolgen, so daß dann, wenn einer der Satelliten verdeckt wird, oder unter den Horizont absinkt, oder aus anderen Gründen nicht verfügbar oder nicht einsetzbar ist, während eines Teils des Beobachtungszeitraums, die gesammelten Daten immer noch ausreichend sein werden.The satellite to be observed by each satellite tracking channel 32 is determined by the satellite assignment 41 from the real-time computer 40. The terminal 23 may have six satellite tracking channels to provide redundancy, although only four satellite channels are required in normal operation. It is good operational practice to track more than the minimum number of satellites at any one time so that if one of the satellites becomes occulted, or sinks below the horizon, or is otherwise unavailable or inoperable during part of the observation period, the data collected will still be sufficient.

Weiterhin empfängt der Verfolgungskanal 32 ständig eine digitale Echtzeitanzeige 34, t, die von der Echtzeituhr 36 erzeugt wird. Die Echtzeituhr 36 wird vom Frequenzstandard 28 gesteuert, der ein Uhrsynchronisierungssignal 29 zur Verfügung stellt. Die Zeit t wird von der Uhr 36 auf konventionelle Weise erhalten, durch eine ursprüngliche Echtzeit-Einstellung oder -Festlegung, und nachfolgendes Zählen von Schwingungszyklen der Signale vom Frequenzstandard 28.Furthermore, the tracking channel 32 continuously receives a real-time digital indication 34, t, generated by the real-time clock 36. The real-time clock 36 is controlled by the frequency standard 28, which provides a clock synchronization signal 29. The time t is obtained from the clock 36 in a conventional manner, by an initial real-time setting or determination, and subsequent counting of oscillation cycles of the signals from the frequency standard 28.

Der Betrieb sämtlicher Verfolgungskanäle 32, einer für jeden der GPS-Satelliten, ist derselbe. Nachstehend wird der Betrieb des Verfolgungskanals 32 erläutert, der in Fig. 2 gezeigt ist, und mit GPS-Signalen 15 von dem GPS-Satelliten 12 arbeitet. Hieraus läßt sich der Betrieb der Verfolgungskanäle 32 für andere GPS-Satelliten verstehen. Zusätzlich zu den niederfrequenten Signalen 30, dem 4-fo-Bezugssignal 26 und zur digitalen Echtzeitanzeige 34 empfängt der Verfolgungskanal 32 Schätzwerte 38, welche Schätzwerte oder Vorhersagen der empfangenen Signalfrequenz und der Gruppenverzögerung für den GPS-Satelliten 12 umfassen, vom Echtzeitcomputer 40. Der Verfolgungskanal 32 schickt Messungen 42, die sich auf die Signale dieses Satelliten beziehen, zum Echtzeitcomputer 40 zurück.The operation of all tracking channels 32, one for each of the GPS satellites, is the same. The operation of the tracking channel 32 shown in Fig. 2, which operates on GPS signals 15 from the GPS satellite 12, will now be explained. From this, the operation of the tracking channels 32 for other GPS satellites can be understood. In addition to the low frequency signals 30, the 4-fo reference signal 26, and the real-time digital display 34, the tracking channel 32 receives estimates 38, which include estimates or predictions of the received signal frequency and group delay for the GPS satellite 12, from the real-time computer 40. The tracking channel 32 sends measurements 42 relating to the Signals from this satellite are returned to the real-time computer 40.

Der Echtzeitcomputer 40 erzeugt Schätzwerte 38 auf der Grundlange der Eingabe externer Information 44, die er von äußeren Quellen empfängt, und ebenso auf der Grundlage der Information, die in den Messungen 42 enthalten ist. Derartige externe Information 44 kann Daten bezüglich der Umlaufposition des Satelliten 12 umfassen, und ebenso Daten, welche die Korrekturen betreffen, die bei der Zeitinformation angebracht werden müssen, die in den Signalen 15 enthalten ist. Umlaufbahn- und Zeitkorrekturinformation 46; die in Fig. 2 gezeigt sind, können Information repräsentieren, die über die Datenverbindung 21 von Orten an Land übertragen werden, beispielsweise vom Datenverarbeitungszentrum 20, wie in Fig. 1 gezeigt. Information 46 könnte vom Endgerät 23 auch aus der gesendeten Navigationsnachricht erhalten werden, die in den GPS-Signalen 15 vom Satelliten 12 enthalten ist, mittels Dekodierung der sogenannten Navigationsnachricht, die von dem GPS-Satelliten 12 gesendet wird, könnte jedoch auch von irgendeiner anderen Einrichtung her stammen.The real-time computer 40 generates estimates 38 based on the input of external information 44 received from external sources and also on the information contained in the measurements 42. Such external information 44 may include data regarding the orbital position of the satellite 12 and also data concerning the corrections that must be made to the timing information contained in the signals 15. Orbit and timing correction information 46 shown in Fig. 2 may represent information transmitted over the data link 21 from land-based locations, for example from the data processing center 20 as shown in Fig. 1. Information 46 could also be obtained by the terminal 23 from the transmitted navigation message contained in the GPS signals 15 from the satellite 12, by decoding the so-called navigation message transmitted by the GPS satellite 12, but could also originate from any other device.

Der Echtzeitcomputer 40 kann auch Information von Beobachtungen empfangen, die von einer oder mehreren der Küstenstationen 16, 17 und/oder 18 durchgeführt wurden, bezüglich der Signale 15 vom Satelliten 12. Diese Information weist vorzugsweise Daten auf, welche die Phasen von Trägersignalen repräsentieren, die implizit in den GPS-Signalen 15 enthalten sind, die von dieser Küstenstation empfangen werden. Zusätzlich können derartige Daten Pseudobereichsmessungen enthalten, die sich auf den Satelliten 12 beziehen, und durch die Beobachtung und Messung der Gruppenverzögerung der C/A-Code-Komponente der L1-Bandsignale in den Signalen 15 ermittelt werden, die von dem Satelliten 12 empfangen werden. Diese Information ist in Fig. 2 als Phasen- und Verzögerungsbeobachtungen von den Küstenstationen 48 dargestellt. Weiterhin kann der Echtzeitcomputer 40 auch Information empfangen, die sich auf die momentane Position und/oder Geschwindigkeit des Schiffes 10 bezieht, von der Schiffpositions- und Geschwindigkeitsinformation 50. Derartige Information kann durch irgendeines der konventionell erhältlichen, käuflichen Geräte zur Verfügung gestellt werden, die üblicherweise zur Ermittlung derartiger Information eingesetzt werden, beispielsweise konventionelle Navigations- und Koppelgeräte.The real-time computer 40 may also receive information from observations made by one or more of the shore stations 16, 17 and/or 18 regarding the signals 15 from the satellite 12. This information preferably comprises data representing the phases of carrier signals implicit in the GPS signals 15 received by that shore station. In addition, such data may include pseudorange measurements related to the satellite 12 and determined by observing and measuring the group delay of the C/A code component of the L1 band signals in the signals 15 received from the satellite 12. This information is in 2 as phase and delay observations from the shore stations 48. Furthermore, the real-time computer 40 may also receive information relating to the current position and/or speed of the vessel 10 from the vessel position and speed information 50. Such information may be provided by any of the conventionally available commercial devices commonly used to determine such information, for example, conventional navigation and docking equipment.

Der Echtzeitcomputer 40 verwendet die Messungen 42 und die Informationseingabe 44 von den Quellen 46, 48 und 50 zur Berechnung einer verbesserten Ermittlung der momentanen oder vergangenen Position 52 des Schiffes 10. Die Positionsbestimmung 52 kann dem Positionsinformationsanzeige- oder -verwendungsgerät 53 zugeführt werden. Der Echtzeitcomputer 40 kann darüber hinaus auch Rohmessungsdaten 54 von dem Satellitenverfolgungskanal 32 an den Datenspeicher 56 liefern. Rohdaten 54 von dem Datenspeicher 56 können zu einem späteren Zeitpunkt verarbeitet werden, an Bord des Schiffes 10 oder an Land im Datenverarbeitungszentrum 20, um verbesserte Positionsinformation zur Verfügung zu stellen, die auf Messungen oder anderen Daten beruht, die nicht auf geeignete Weise auf dem Schiff 10 während der Beobachtung des Satelliten 12 verfügbar sind, beispielsweise verbesserte Satellitenumlaufbahn- oder Uhrinformation. Entsprechend können Phasen- und Verzögerungsbeobachtungen, die von einigen anderen, nicht dargestellten Küstenstationen stammen, bei der späteren Verarbeitung verfügbar sein, die während des Beobachtungszeitraums nicht verfügbar waren. Selbst verbesserte Daten, welche die Position und/oder die Geschwindigkeit des Schiffes 10 betreffen, können bei der Nachverarbeitung eingesetzt werden, um die Genauigkeit der Positionsinformation zu verbessern.The real-time computer 40 uses the measurements 42 and the information input 44 from the sources 46, 48 and 50 to calculate an improved determination of the current or past position 52 of the vessel 10. The position determination 52 may be provided to the position information display or use device 53. The real-time computer 40 may also provide raw measurement data 54 from the satellite tracking channel 32 to the data storage 56. Raw data 54 from the data storage 56 may be processed at a later time, on board the vessel 10 or onshore at the data processing center 20, to provide improved position information based on measurements or other data not conveniently available on the vessel 10 during observation of the satellite 12, for example, improved satellite orbit or clock information. Accordingly, phase and delay observations from some other shore stations not shown may be available in later processing that were not available during the observation period. Even improved data concerning the position and/or speed of the vessel 10 may be used in post-processing to improve the accuracy of the position information.

Konventionelle GPS-Empfänger nutzen externe Informationseingaben nicht, beispielsweise jene, die voranstehend in bezug auf die externe Information 44 erläutert wurden. Konventionelle GPS-Empfänger erhalten die gesamte derartige Satellitenumlaufs- und Satellitenuhrinformation direkt von der Navigationsnachricht, die von jedem Satelliten gesendet wird. Es ist besonders wichtig, daß das Endgerät 23 externe Eingaben wie voranstehend erläutert-verwenden kann, um den Betrieb und die Genauigkeit während solcher Zeiten aufrechtzuerhalten, in welchen das Verteidigungsministerium sich dazu entscheidet, gewisse Anteile der gesendeten Information von dem GPS-System zu verschlechtern, um die hohe Genauigkeit zu sperren, die normalerweise militärischen Benutzern zur Verfügung steht. Obwohl die Genauigkeit, die Benutzern eines System gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verfügung steht, für militärische Operationen nicht ausreichend ist, können zivile Benutzer ohne Unterbrechung mit Vermessungs- und Navigationsvorgängen weiter fortfahren.Conventional GPS receivers do not utilize external information inputs, such as those discussed above with respect to external information 44. Conventional GPS receivers obtain all such satellite orbit and satellite clock information directly from the navigation message transmitted by each satellite. It is particularly important that terminal 23 can utilize external inputs, as discussed above, to maintain operation and accuracy during times when the Department of Defense elects to degrade certain portions of the transmitted information from the GPS system to inhibit the high accuracy normally available to military users. Although the accuracy available to users of a system in accordance with the present invention is not sufficient for military operations, civilian users can continue surveying and navigation operations without interruption.

Es wurde angekündigt, daß eine derartige Sperrung der Genauigkeit das absichtliche Aussenden ungenauer Informationsdaten bezüglich der Umlaufbahnen des GPS-Satelliten und/oder der Satellitenuhren umfassen kann. Das Aussenden ungenauer Information bezüglich der Satellitenuhren wird allgemein als Zittern (dither) bezeichnet.It has been announced that such accuracy blocking may include intentionally broadcasting inaccurate information regarding GPS satellite orbits and/or satellite clocks. Broadcasting inaccurate information regarding satellite clocks is commonly referred to as dithering.

Die allgemein erwartete Art des Zitterns von Satellitenuhrinformation würde darin bestehen, absichtlich die Taktrate in dem GPS-Satelliten 12 zu ändern, oder zuzulassen, daß die normalen Variationen der Taktrate die Genauigkeit beeinträchtigen, und dann den Zugriff auf die Uhrkorrekturinformation zu beschränken. Wie voranstehend erläutert, sendet jeder GPS- Satellit bei seiner Aussendung der Navigationsdaten Daten, die sowohl die Zeit umfassen, die von der Uhr des Satelliten angegeben wird, als auch die einzelne Information, welche die Korrekturen betrifft, die zur exakten Verwendung dieser gesendeten, angezeigten Zeit erforderlich sind. Eine einfach vorzunehmende Vorgehensweise bezüglich des Zitterns würde daher darin bestehen, den öffentlichen Zugriff auf derartige Taktkorrekturinformation dadurch zu sperren, daß die Uhrkorrekturdaten verschlüsselt werden, die in der gesendeten Uhrkorrekturnachricht des Satelliten enthalten sind.The generally expected way of jittering satellite clock information would be to intentionally change the clock rate in the GPS satellite 12, or to allow the normal variations in the clock rate to affect accuracy, and then restrict access to the clock correction information. As explained above, each GPS satellite, in transmitting navigation data, transmits data that includes both the time provided by the satellite's clock as well as the detailed information concerning the corrections required to use this transmitted indicated time accurately. A simple approach to dealing with the jitter would therefore be to block public access to such clock correction information by encrypting the clock correction data contained in the satellite's transmitted clock correction message.

Andere Quellen externer Information 44 können Trägheitsnavigationssysteme umfassen, Kompaß, Wassergeschwindigkeitsfahrtmesser, Dopplersonar oder Information bezüglich der Ausrichtung des Schiffes 10, also dessen Ausrichtung im Raum, Rollen, Stampfen und Gieren. Wenn das Schiff 10 rollt und stampft, so bewegt sich dessen Antenne, die oben an einem Mast angebracht ist, im Raum herum. Die Position, welche der Computer 40 ermittelt, ist daher die Position dieses sich bewegenden Punktes an der Mastspitze. Diese zusätzliche Information kann dazu erforderlich sein, den Schwerpunkt des Schiffes 10 zu ermitteln.Other sources of external information 44 may include inertial navigation systems, compass, water speed indicator, Doppler sonar, or information regarding the orientation of the vessel 10, i.e. its orientation in space, roll, pitch and yaw. As the vessel 10 rolls and pitches, its antenna, which is mounted on top of a mast, moves around in space. The position determined by the computer 40 is therefore the position of this moving point at the top of the mast. This additional information may be required to determine the center of gravity of the vessel 10.

Fig. 3Fig.3

In Fig. 3 ist der Empfänger 24 des Endgeräts 23 mit mehr Einzelheiten gezeigt, zusammen mit der Antenne 22 und dem getrennten Filter- und Vorverstärkerpaket 62, welches vorzugsweise örtlich sehr nahe an der Antenne 22 angeordnet ist. Das entfernte Filter- und Vorverstärkerpaket 62 dient zur Verbindung der Antenne 22 mit dem Empfänger 24.In Fig. 3, the receiver 24 of the terminal 23 is shown in more detail, together with the antenna 22 and the separate filter and preamplifier package 62, which is preferably located very close to the antenna 22. The remote filter and preamplifier package 62 serves to connect the antenna 22 to the receiver 24.

Im einzelnen führt die Übertragungsleitung 60 die Funkfrequenzsignale des L1- und L2-Bandes, die von der Antenne 22 empfangen werden, dem entfernten Filter- und Vorverstärkerpaket 62 zu. Der Vorverstärker 62 ist vorzugsweise räumlich nahe an der Antenne 22 angeordnet, um die Übertragungsleitungsverluste in der Leitung 60 zwischen der Antenne 22 und dem rauscharmen Verstärker 68 innerhalb des Vorverstärkers 62 zu minimalisieren. Sinnvollerweise wird der Vorverstärker 62 auf demselben Mast oder Aufbau angeordnet, auf welchem die Antenne 22 angeordnet ist.In particular, the transmission line 60 carries the L1 and L2 band radio frequency signals received by the antenna 22 to the remote filter and preamplifier package 62. The preamplifier 62 is preferably spatially located close to the antenna 22 to minimize transmission line losses in the line 60 between the antenna 22 and the low noise amplifier 68 within the preamplifier 62. It is useful to place the preamplifier 62 on the same mast or structure on which the antenna 22 is located.

Im Vorverstärker 62 werden die L-Bandsignale in der Leitung 60 an die Eingänge von Bandpaßfiltern 64 und 66 gekoppelt. Das Filter 64 ist ein Bandpaßfilter hoher Qualität und mit geringen Verlusten, das auf das annähernde Zentrum des L1- Bandes bei 1575,42 Megahertz abgestimmt ist. Die Bandbreite des Filters 64 kann in der Größenordnung von 30 Megahertz liegen. Das Filter 66 ist auf das Zentrum des L2-Bandes bei 1227,60 Megahertz mit entsprechender Bandbreite abgestimmt. Die Filter 64 und 66 dienen dazu, zu verhindern, daß starke Signale, die außerhalb der GPS-Frequenzbänder entstehen, den empfindlichen rauscharmen Verstärker 68 erreichen, und diesen überlasten oder möglicherweise beschädigen. Bandpaßfilter 64 und 66 sind im Handel von verschiedenen Verkäufern erhältlich und sollten so ausgewählt sein, daß sie eine geringe Abschwächung in den L1- und L2-Frequenzbändern aufweisen, und eine hohe Abschwächung außerhalb dieser Bänder.In preamplifier 62, the L-band signals in line 60 are coupled to the inputs of bandpass filters 64 and 66. Filter 64 is a high quality, low loss bandpass filter tuned to the approximate center of the L1 band at 1575.42 megahertz. The bandwidth of filter 64 may be on the order of 30 megahertz. Filter 66 is tuned to the center of the L2 band at 1227.60 megahertz with a corresponding bandwidth. Filters 64 and 66 serve to prevent strong signals originating outside the GPS frequency bands from reaching the sensitive low noise amplifier 68 and overloading or possibly damaging it. Bandpass filters 64 and 66 are commercially available from various vendors and should be selected to provide low attenuation in the L1 and L2 frequency bands and high attenuation outside these bands.

Die Ausgänge der Filter 64 und 66 werden am Eingang des rauscharmen Verstärkers 68 zusammengeführt. Die verstärkten L-Bandsignale, die am Ausgang des rauscharmen Verstärkers 68 vorhanden sind, werden über die Übertragungsleitung 70 dem Empfänger 24 zugeführt. Der Empfänger 24 ist sinnvollerweise innerhalb des Schiffes 10 in einem geschützten Bereich angeordnet, typischerweise in derselben Umgebung, die zum Schutz anderer elektronischer Geräte verwendet wird. Die Übertragungsleitung 70 kann daher verhältnismäßig lang sein. Der rauscharme Verstärker 68 dient zur Verstärkung der L-Bandsignale, die in die Übertragungsleitung 70 eingegeben werden, auf einen Pegel, der zum Kompensieren der Abschwächung der Leitung 70 ausreicht. Der rauscharme Verstärker 68 kann als im Handel erhältlicher Galliumarsenid-Feldeffekttransistorverstärker mit einem niedrigen Rauschwert von etwa 10 dB ausgebildet sein.The outputs of the filters 64 and 66 are combined at the input of the low noise amplifier 68. The amplified L-band signals present at the output of the low noise amplifier 68 are fed to the receiver 24 via the transmission line 70. The receiver 24 is conveniently located within the vessel 10 in a protected area, typically in the same environment used to protect other electronic equipment. The transmission line 70 can therefore be relatively long. The low noise amplifier 68 serves to amplify the L-band signals input to the transmission line 70 to a level sufficient to compensate for the attenuation of the line 70. The low noise amplifier 68 may be a commercially available gallium arsenide field effect transistor amplifier having a low noise figure of about 10 dB.

Der Empfänger 24 empfängt das Ausgangssignal des rauscharmen Verstärkers 68 über die Übertragungsleitung 70 als einen Eingangswert und das 4-fo-Konstantfrequenz-Bezugssignal 26 vom Frequenzstandard 28, gezeigt in Fig. 2, als zweiten Eingangswert. Innerhalb des Empfängers 24 ist die Übertragungsleitung 70 an den Eingang eines Diplexfilters 72 angeschlossen. Das Diplexfilter 72 ist ein frequenzselektiver Signalteiler, welcher die L-Band-Funkfrequenzsignale, die über die Übertragungsleitung 70 empfangen wurden, aufteilt in L1-Band- Funkfrequenzsignale 74 und L2-Band-Funkfrequenzsignale 78.The receiver 24 receives the output of the low noise amplifier 68 via the transmission line 70 as one input and the 4-fo constant frequency reference signal 26 from the frequency standard 28 shown in Fig. 2 as a second input. Within the receiver 24, the transmission line 70 is connected to the input of a diplex filter 72. The diplex filter 72 is a frequency selective signal splitter which splits the L-band radio frequency signals received via the transmission line 70 into L1-band radio frequency signals 74 and L2-band radio frequency signals 78.

L1-Band-Funkfrequenzsignale 74 werden an den Funkfrequenz/Videofrequenz-Herunterteiler 76 angelegt, in welchem sie mit Quadraturkomponenten eines Bezugssignals bei der nominellen Zentrumsfrequenz des L1-Bandes, nämlich 1575,42 Megahertz, gemischt werden, was exakt das 308-fache von fo beträgt. Diese Quadraturkomponenten werden von dem 4-fo-Bezugssignal 26 abgeleitet. Der Betrieb des Herunterwandlers 76 wird mit mehr Einzelheiten nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben. Allgemein gesagt dient der Herunterwandler 76 zum Umwandeln der L1-Band-Funkfrequenzsignale 74 von einer Zentrumsfrequenz von 308 fo oder 1575,42 Megahertz auf das Basisband, also eine Zentrumsfrequenz von 0 Hertz. Wie nachstehend mit mehr Einzelheiten unter Bezug auf Fig. 4 erläutert ist, erzeugt der Videofrequenz-Herunterwandler 76 ein phasengleiches Videosignal 82 VI, und ein Quadratur-Videosignal 84 VQ, welche zusammen das komplexe Videosignal V bilden.L1 band radio frequency signals 74 are applied to the radio frequency/video frequency down converter 76 where they are mixed with quadrature components of a reference signal at the nominal center frequency of the L1 band, namely 1575.42 megahertz, which is exactly 308 times fo. These quadrature components are derived from the 4 fo reference signal 26. The operation of the down converter 76 is described in more detail below with reference to Fig. 4. Generally speaking, the down converter 76 serves to convert the L1 band radio frequency signals 74 from a center frequency of 308 fo or 1575.42 megahertz to the baseband, i.e. a center frequency of 0 hertz. As will be explained in more detail below with reference to Fig. 4, the video frequency downconverter 76 produces an in-phase video signal 82 VI and a quadrature video signal 84 VQ which together form the complex video signal V.

Quadratur-Videosignale 82 und 84 sind in den niederfrequenten Signalen 30 enthalten und werden in jedem Satelliten-Verfolgungskanal 32 im Endgerät 23 und ebenso von der L1-Band-fo- Trägerrekonstruktions- und -Herunterwandlervorrichtung 86 im Empfänger 24 verwendet.Quadrature video signals 82 and 84 are included in the low frequency signals 30 and are used in each satellite tracking channel 32 in the terminal 23 and also by the L1 band fo carrier reconstruction and downconversion device 86 in the receiver 24.

Die L1-Band-fo-Trägerrekonstruktions- und -Herunterwandlervorrichtung 86 ist nachstehend mit mehr Einzelheiten im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben. Die Rekonstruktionsvorrichtung 86 dient allgemein zum Rekonstruieren von Trägern der Satelliten-Fundamentalfrequenz fo, die implizit in den Funkfrequenzsignalen 74 des L1-Bandes enthalten sind. Satelliten- Fundamentalfrequenz-fo-Träger von jedem GPS-Satelliten sind implizit in den L1-Band-Funkfrequenzsignalen 74 vom Diplexfilter 72 enthalten, und in den Quadratur-Videosignalen 82 und 84, da sie implizit in den GPS-Signalen 15 enthalten waren, und keine der Operationen, die mit den Signalen 15 durchgeführt wurde, bis zu dieser Stufe diese implizite Beziehung geändert hat.The L1 band fo carrier reconstruction and downconversion device 86 is described in more detail below in connection with Figure 5. The reconstruction device 86 generally serves to reconstruct carriers of the satellite fundamental frequency fo that are implicitly contained in the L1 band radio frequency signals 74. Satellite fundamental frequency fo carriers from each GPS satellite are implicitly contained in the L1 band radio frequency signals 74 from the diplex filter 72, and in the quadrature video signals 82 and 84, since they were implicitly contained in the GPS signals 15, and none of the operations performed on the signals 15 up to this stage have altered this implicit relationship.

Es ist wesentlich darauf hinzuweisen, daß der Wandler 76 und die Rekonstruktionsvorrichtung 86 Bezugsfrequenzen verwenden, die durch feste Multiplikation des Konstantfrequenz-4-fo- Bezugssignals 26 von dem Frequenzstandard 28 gemäß Fig. 2 abgeleitet werden, so daß alle diese Signale phasengleich miteinander sind.It is important to note that the converter 76 and the reconstruction device 86 use reference frequencies which are derived by fixed multiplication of the constant frequency 4-fo reference signal 26 from the frequency standard 28 of Figure 2, so that all of these signals are in phase with each other.

Die Rekonstruktions- und Herunterwandlervorrichtung 86 für den L1-Band-fo-Träger erzeugt ein phasengleiches, rekonstruiertes L1-Band-fo-Trägerverbundsignal 88, SI(L1), und ein Quadraturphasen-rekonstruiertes L1-Band-fo-Trägerverbundsignal 90, SQ(L1), welche zusammen das komplexe Verbundsignal S(L1) des rekonstruierten fo-Trägers des L1-Bandes bilden. Der Verbundzeiger 89 des rekonstruierten Trägers des L1-Bandes, der nachstehend in Fig. 8D gezeigt ist, ist der Momentanwert des komplexen Verbundsignals S(L1) des rekonstruierten fo-Trägers des L1-Bandes, der sich aus der Überlagerung der Zeiger ergibt, welche die rekonstruierten L1- Band-fo-Träger von sämtlichen in Sicht befindlichen GPS- Satelliten repräsentiert. Wie aus Fig. 8D hervorgeht, repräsentiert der Zeiger 8912 des GPS-rekonstruierten fo-Trägers des L1-Bandes den bestimmten rekonstruierten fo-Träger des L1-Bandes von dem GPS-Satelliten 12.The L1 band fo carrier reconstruction and downconversion device 86 produces an in-phase reconstructed L1 band fo carrier composite signal 88, SI(L1), and a quadrature phase reconstructed L1 band fo carrier composite signal 90, SQ(L1), which together form the L1 band reconstructed fo carrier complex composite signal S(L1). The reconstructed carrier composite vector 89 of the L1 band reconstructed fo carrier 8912 shown below in Fig. 8D is the instantaneous value of the complex composite signal S(L1) of the L1 band reconstructed fo carrier resulting from the superposition of the phasors representing the L1 band reconstructed fo carriers from all GPS satellites in view. As shown in Fig. 8D, the GPS reconstructed L1 band fo carrier phasor 8912 represents the particular L1 band reconstructed fo carrier from the GPS satellite 12.

Die phasengleichen und Quadratur-rekonstruierten L1-Band-fo- Träger-Verbundsignale 88 und 90 sind sehr niederfrequente Signale, die innerhalb der Rekonstruktionsvorrichtung 86 auf eine Bandbreite von annähernd 1 Kilohertz gefiltert werden.The in-phase and quadrature reconstructed L1-band fo-carrier composite signals 88 and 90 are very low frequency signals that are filtered within the reconstruction device 86 to a bandwidth of approximately 1 kilohertz.

L2-Band-Funkfrequenzsignale 78 werden an den Herunterwandler 80 angelegt, in welchem sie mit Quadraturkomponenten eines Bezugssignals bei der nominellen Zentrumsfrequenz des L2- Bandes, 1227,60 Megahertz, gemischt werden, was exakt das 240-fache von fo beträgt. Diese Quadraturkomponenten werden ebenfalls von dem 4-fo-Bezugssignal 26 abgeleitet. Der Betrieb des Herunterwandlers 80 ist im wesentlichen identisch zum Betrieb des Herunterwandlers 76 und läßt sich im einzelnen unter Bezugnahme auf die Beschreibung des Herunterwandlers 76 in Fig. 4 verstehen. Im allgemeinen dient der Herunterwandler 80 zum Umwandeln der L2-Band-Funkfrequenzsignale 78 von einer Zentrumsfrequenz von 240 fo, oder 1227,60 Megahertz, auf das Basisband. Wie im einzelnen in bezug auf Fig. 4 beschrieben wird, erzeugt der L2-Band-Videofrequenz-Herunterwandler 80 ein phasengleiches L2-Band-Videosignal 92 und ein Quadraturphasen- L2-Band-Videosignal 94.L2 band radio frequency signals 78 are applied to down converter 80 where they are mixed with quadrature components of a reference signal at the nominal center frequency of L2 band, 1227.60 megahertz, which is exactly 240 times fo. These quadrature components are also derived from the 4 fo reference signal 26. The operation of down converter 80 is essentially identical to the operation of down converter 76 and can be understood in more detail by reference to the description of down converter 76 in Fig. 4. In general, down converter 80 serves to convert L2 band radio frequency signals 78 from a center frequency of 240 fo, or 1227.60 megahertz, to baseband. As will be described in detail with respect to Figure 4, the L2 band video frequency downconverter 80 produces an in-phase L2 band video signal 92 and a quadrature phase L2 band video signal 94.

Die phasengleichen und Quadratur-L2-Band-Videosignale 92 und 94 werden von der L2-Band-fo-Trägerrekonstruktions- und Herunterwandlervorrichtung 96 verwendet. Die Rekonstruktionsvorrichtung 96 arbeitet identisch wie die Rekonstruktionsvorrichtung 86 und läßt sich anhand von deren Beschreibung unter Bezugnahme auf Fig. 5 verstehen. Allgemein gesprochen dient die Rekonstruktionsvorrichtung 96 zum Rekonstruieren der Satelliten-Fundamentalfrequenz-fo-Träger, die implizit in den L2-Band-Funkfrequenzsignalen 78 enthalten sind. Satelliten- Fundamentalfrequenz-fo-Träger von jedem GPS-Satelliten sind implizit in den L2-Band-Funkfrequenzsignalen 78 von dem Diplexfilter 72 enthalten, und in dem phasengleichen L2-Band- Videosignal 92 sowie in dem Quadraturphasen-L2-Band-Videosignal 94, da sie implizit in den GPS-Signalen 15 enthalten waren, und keine der Operationen, die bis zu dieser Stufe mit den GPS-Signalen 15 durchgeführt wurden, diese implizite Beziehung geändert haben.The in-phase and quadrature L2-band video signals 92 and 94 are derived from the L2-band fo carrier reconstruction and downconverter 96. Reconstructor 96 operates identically to reconstructor 86 and can be understood from its description with reference to Fig. 5. Generally speaking, reconstructor 96 serves to reconstruct the satellite fundamental frequency fo carriers implicitly contained in L2 band radio frequency signals 78. Satellite fundamental frequency fo carriers from each GPS satellite are implicitly contained in L2 band radio frequency signals 78 from diplexer 72, and in in-phase L2 band video signal 92 and in quadrature phase L2 band video signal 94 because they were implicitly contained in GPS signals 15 and none of the operations performed on GPS signals 15 up to this stage have altered this implicit relationship.

Die Rekonstruktions- und Herunterwandlervorrichtung 96 für den L2-Band-fo-Träger erzeugt das phasengleiche, rekonstruierte L2-Band-fo-Trägerverbundsignal 98, SI(L2), und das Quadraturphasen-rekonstruierte L2-Band-fo-Trägerverbundsignal 100, SQ(L2), welche zusammen das komplexe Verbundsignal S(L2) des rekonstruierten fo-Trägers des L2-Bandes bilden. Die phasengleichen und Quadratur-rekonstruierten L2-Band-fo- Trägerverbundsignale 98 und 100 sind sehr niederfrequente Signale, die innerhalb der Rekonstruktionsvorrichtung 96 auf eine Bandbreite von annähernd 1 Kilohertz gefiltert werden.The L2 band fo carrier reconstruction and downconversion device 96 produces the in-phase reconstructed L2 band fo carrier composite signal 98, SI(L2), and the quadrature phase reconstructed L2 band fo carrier composite signal 100, SQ(L2), which together form the L2 band reconstructed fo carrier complex composite signal S(L2). The in-phase and quadrature reconstructed L2 band fo carrier composite signals 98 and 100 are very low frequency signals that are filtered within the reconstruction device 96 to a bandwidth of approximately 1 kilohertz.

Fig. 4Fig.4

In Fig. 4 ist der Herunterwandler 76 des Empfängers 24 von Fig. 3 mit mehr Einzelheiten dargestellt. Wie voranstehend erläutert dient der Wandler 76 zum Herunterschieben von L1- Band-Signalen 74 auf dieselbe Weise, wie der Wandler 80 zum Herunterschieben von L2-Band-Signalen 78 dient.In Fig. 4, the downconverter 76 of the receiver 24 of Fig. 3 is shown in more detail. As previously explained, the converter 76 serves to downshift L1 band signals 74 in the same manner as the converter 80 serves to downshift L2 band signals 78.

L1-Band-Funkfrequenz-Eingangssignale 74 von dem Diplexfilter 72 werden an ein Paar identischer, doppelt phasengleicher Mischer 110 und 112 angelegt. Ein Lokaloszillator-Eingangssignal 140 wird an den Mischer 110 von dem Frequenzmultiplizierer 116 angelegt, der das 4-fo-Bezugsfrequenzsignal 26 des Standards 28 mit einem Faktor 77 multipliziert. Diese Operation erzeugt das Lokaloszillator-Eingangssignal 114 bei einer Frequenz von 1575,42 Megahertz. Der entsprechende Frequenzmultiplizierer in dem L2-Band-Videofrequenz-Herunterwandler 80 verwendet einen Multiplikationsfaktor von 60 zur Erzielung einer Frequenz von 1227,60 Megahertz.L1 band radio frequency input signals 74 from the diplex filter 72 are applied to a pair of identical double phase mixers 110 and 112. A local oscillator input signal 140 is applied to the mixer 110 from the frequency multiplier 116 which multiplies the 4-fo reference frequency signal 26 of the standard 28 by a factor of 77. This operation produces the local oscillator input signal 114 at a frequency of 1575.42 megahertz. The corresponding frequency multiplier in the L2 band video frequency downconverter 80 uses a multiplication factor of 60 to achieve a frequency of 1227.60 megahertz.

Das Mischerausgangssignal 122 enthält Signalkomponenten mit Frequenzen, die gleich der Summe und der Differenz der Frequenzen der Eingangssignale 114 und 74 sind.The mixer output signal 122 contains signal components with frequencies equal to the sum and difference of the frequencies of the input signals 114 and 74.

Die Signalkomponenten des Mischerausgangssignals 122 bei der Summe der Frequenzen der Eingangssignale zum Mischer 110 liegen annähernd beim 2-fachen der L1-Zentrumsfrequenz. Diese Signale werden allgemein als Summenfrequenzen bezeichnet, und werden von dem Video-Tiefpaßfilter 124 unterdrückt.The signal components of the mixer output signal 122 at the sum of the frequencies of the input signals to the mixer 110 are approximately 2 times the L1 center frequency. These signals are generally referred to as sum frequencies, and are rejected by the video low pass filter 124.

Die Signalkomponenten des Mischerausgangssignals 122, die gleich der Frequenzdifferenz zwischen den Frequenzen der Eingangssignale zum Mischer 110 sind, werden üblicherweise als die Schwebungsfrequenzen oder Differenzfrequenzen bezeichnet. Die Schwebungsfrequenzkomponenten des Mischerausgangssignals 122 weisen Frequenzen auf, die gleich der Differenz der Frequenz der L1-Band-Signale 74 und des L1-Zentrumsfrequenz Trägerbezugssignals 114 sind.The signal components of the mixer output signal 122 that are equal to the frequency difference between the frequencies of the input signals to the mixer 110 are commonly referred to as the beat frequencies or difference frequencies. The beat frequency components of the mixer output signal 122 have frequencies equal to the difference in frequency of the L1 band signals 74 and the L1 center frequency carrier reference signal 114.

GPS-Signale 15 enthalten weiter als etwa als 9 Megahertz von der Zentrumsfrequenz des Bandes entfernt keine nutzbaren Beträge der Signalleistung. Daher können L1-Band-Signale 74 als Signale mit einer Bandbreite angesehen werden, die geringer als etwa 18 Megahertz ist, zentriert etwa bei dem L1- Zentrumsfrequenzträger. Die Schwebungsfrequenzkomponente des Mischerausgangssignals 122 ist daher die weniger als 18 Megahertz breite Komponente des L1-Band-Signals 74, welches in der Frequenz auf das Basisband heruntergewandelt wurde, also auf einen niederfrequenten Bereich von nahe Null bis weniger als etwa 9 Megahertz. Diese Schwebungsfrequenzkomponente des Mischerausgangssignals 122 wird nicht durch das Video-Tiefpaßfilter 124 unterdrückt, und ist in dem phasengleichen Videosignal 82 enthalten.GPS signals 15 do not contain any useful amounts of signal power beyond approximately 9 megahertz from the center frequency of the band. Therefore, L1 band signals 74 be considered to have a bandwidth less than about 18 megahertz, centered approximately at the L1 center frequency carrier. The beat frequency component of the mixer output signal 122 is therefore the less than 18 megahertz wide component of the L1 band signal 74 which has been down-converted in frequency to baseband, that is, to a low frequency range from near zero to less than about 9 megahertz. This beat frequency component of the mixer output signal 122 is not rejected by the video low pass filter 124, and is included in the in-phase video signal 82.

Das Video-Tiefpaßfilter 124 sollte annähernd an die spektrale Leistungsdichte des Basisbandes der n(t)- oder der sich auf den P-Code beziehenden Komponente der GPS-Signale angepaßt sein. Diese Spektraldichte N(f) ist annähernd gegeben durchThe video low-pass filter 124 should be approximately matched to the spectral power density of the baseband of the n(t) or P-code related component of the GPS signals. This spectral density N(f) is approximately given by

N(f) - sinc² (f/2 fo)N(f) - sinc² (f/2 fo)

wobei f die Videofrequenz bezeichnet, fo die GPS-Fundamentalfrequenz, und sinc² (f/2 fo) das Quadrat der "sinc"- Funktion ist, definiert durchwhere f is the video frequency, fo is the GPS fundamental frequency, and sinc² (f/2 fo) is the square of the "sinc" function, defined by

sinc (x) = sin (π*x)/(π*x)sinc (x) = sin (π*x)/(π*x)

wobei x, gleich f/2 fo, das Argument der Funktion ist, und π gleich 3,1416 . . . ist. N(f) weist eine einseitige Bandbreite bei halber Leistung von etwa 4,5 Megahertz auf, und weist eine Null bei f gleich 2 fo auf. Das Video-Tiefpaßfilter 124 kann einen konventionellen Aufbau mit konzentrierten idealen Elementen aufweisen, vorzugsweise mit 3 bis 5 Polen. Es ist wesentlich, daß das Video-Tiefpaßfilter 124 eine lineare Phase aufweist, und daß das Filter 130 bezüglich der Phase exakt an das Video-Tiefpaßfilter 124 angepaßt ist, um die Leistung der L1-Band-fo-Trägerrekonstruktionsvorrichtung und -Herunterwandlervorrichtung 86 zu optimieren, welche die Videosignale 82 und 84 empfängt. Weiterhin ist es wünschenswert, daß die Video-Tiefpaßfilter 124 und 130 eine hohe Abschwächung bei der Videofrequenz f gleich 2 fo aufweisen, so daß die Videosignale 82 und 84 keine Störkomponenten aufweisen, welche die Ermittlung des rekonstruierten Trägers sowie die Phasenmessung in dem L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206 stört.where x, equal to f/2 fo, is the argument of the function, and π is equal to 3.1416 . . . N(f) has a one-sided bandwidth at half power of about 4.5 megahertz, and has a zero at f equal to 2 fo. The video low-pass filter 124 may be of conventional lumped ideal element construction, preferably with 3 to 5 poles. It is essential that the video low-pass filter 124 have a linear phase, and that the filter 130 be exactly phase matched to the video low-pass filter 124. to optimize the performance of the L1 band fo carrier reconstruction and downconversion device 86 which receives the video signals 82 and 84. Furthermore, it is desirable that the video low pass filters 124 and 130 have a high attenuation at the video frequency f equal to 2 fo so that the video signals 82 and 84 do not contain spurious components which interfere with the detection of the reconstructed carrier and the phase measurement in the L1 band fo carrier phase detector 206.

Zusätzlich zur Unterdrückung der Mischprodukte bei doppelter Frequenz im Mischerausgangssignal 122 dient das Video-Tiefpaßfilter 124 allgemein dazu, die Bandbreite des phasengleichen Videosignals 82 auf die Bandbreite des Nutzsignals zu begrenzen. Diese Begrenzung begrenzt das Ausmaß an Rauschen und potentieller Störungen, welches an die folgenden Stufen des Empfängers 24 und des Satelliten-Verfolgungskanals 32 geleitet wird.In addition to rejecting the double frequency mixing products in the mixer output signal 122, the video low pass filter 124 generally serves to limit the bandwidth of the in-phase video signal 82 to the bandwidth of the wanted signal. This limitation limits the amount of noise and potential interference passed to the subsequent stages of the receiver 24 and the satellite tracking channel 32.

Das Lokaloszillator-Eingangssignal 114 wird an die 90º-Phasenverzögerungsschaltung 118 angelegt, um ein verzögertes Lokaloszillator-Eingangssignal 120 zu erzeugen, welches daher dem Lokaloszillator-Eingangssignal 114 exakt um einen Viertel-Zyklus nacheilt. Das verzögerte Lokaloszillator-Eingangssignal 120 wird als ein Eingangssignal an den Mischer 112 angelegt, auf dieselbe Weise, wie das unverzögerte Lokaloszillator-Eingangssignal 114 an den Mischer 110 angelegt wird. Das Mischerausgangssignal 128 von dem Mischer 112 ist daher im wesentlichen identisch mit dem Mischerausgangssignal 122 vom Mischer 110, abgesehen davon, daß die Schwebungsfrequenzkomponenten in der Phase um einen Viertel-Zyklus verschoben sind.The local oscillator input signal 114 is applied to the 90° phase delay circuit 118 to produce a delayed local oscillator input signal 120 which therefore lags the local oscillator input signal 114 by exactly one quarter cycle. The delayed local oscillator input signal 120 is applied as an input signal to the mixer 112 in the same manner as the undelayed local oscillator input signal 114 is applied to the mixer 110. The mixer output signal 128 from the mixer 112 is therefore substantially identical to the mixer output signal 122 from the mixer 110 except that the beat frequency components are shifted in phase by one quarter cycle.

Fig. 5Fig.5

In Fig. 5 ist die Rekonstruktionsvorrichtung 86 des Empfängers 24 gemäß Fig. 3 mit mehr Einzelheiten gezeigt. Wie voranstehend in bezug auf Fig. 3 erwähnt, sind die Rekonstruktionsvorrichtungen 86 und 96 im Aufbau und Betrieb identisch, abgesehen davon, daß die ihnen zugeführten Eingangssignale unterschiedlich sind. Der Aufbau und der Betrieb der Rekonstruktionsvorrichtung 96 läßt sich daher anhand der nachstehenden Erläuterung der Rekonstruktionsvorrichtung 86 verstehen.In Fig. 5, the reconstruction device 86 of the receiver 24 of Fig. 3 is shown in more detail. As mentioned above with respect to Fig. 3, the reconstruction devices 86 and 96 are identical in construction and operation, except that the input signals supplied to them are different. The construction and operation of the reconstruction device 96 can therefore be understood from the discussion of the reconstruction device 86 below.

Das heruntergewandelte, phasengleiche Videosignal 82 und das heruntergewandelte Quadratur-Videosignal 84 werden von dem in Fig. 3 gezeigten Herunterwandler 76 für die L1-Band-Funkfrequenz auf Videofrequenz erzeugt. Wie voranstehend erläutert sind die Videosignale 82 und 84 identisch, abgesehen von einer relativen Phasenverschiebung von genau 90º. Die Richtung dieser Phasenverschiebung, also ob es eine voreilende Phasenverschiebung oder eine nacheilende Phasenverschiebung von VQ in bezug auf VI gibt, hängt davon ab, oder die L1- Band-Eingangsfrequenz oberhalb oder unterhalb der Frequenz des Lokalbezugssignals 114 lag, welches in Fig. 4 gezeigt ist. Das Signal 114, wie bereits unter Bezug auf Fig. 4 erwähnt, ist nominell gleich einer Frequenz von 308 fo, dem Zentrumsfrequenzträger der übertragenen L1-Band-Signale.The downconverted in-phase video signal 82 and the downconverted quadrature video signal 84 are produced by the L1 band radio frequency to video frequency downconverter 76 shown in Fig. 3. As previously explained, the video signals 82 and 84 are identical except for a relative phase shift of exactly 90°. The direction of this phase shift, i.e. whether there is a leading phase shift or a lagging phase shift of VQ with respect to VI, depends on whether the L1 band input frequency was above or below the frequency of the local reference signal 114 shown in Fig. 4. The signal 114, as already mentioned with reference to Fig. 4, is nominally equal to a frequency of 308 fo, the center frequency carrier of the transmitted L1 band signals.

Es ist daher möglich, die oberen Seitenbandkomponenten der L1- Band-Signale 74 (die Komponenten des Signals 74 oberhalb der Zentrumsträgerfrequenz von 1575,42 Megahertz) von deren unteren Seitenbandkomponenten zu trennen (den Komponenten des Signals 74, die eine niedrigere Frequenz aufwiesen als die Zentrumsträgerfrequenz), durch Verzögern der Phase des Videosignals 84 um zusätzliche 90º in bezug auf das Videosignal 82, und nachfolgendes Addieren und Subtrahieren der Ergebnisse, um obere und untere Seitenbandsignale zu bilden. Die Breitband-Videoquadraturhybridschaltung 140, an welche phasengleiche und Quadratur-Videosignale 82 und 84 als Eingangssignale angelegt werden, führt diese zusätzliche Phasenverschiebung und die Additions- und Subtraktionsoperationen durch, um das obere Seitenbandsignal 142 und das untere Seitenbandsignal 144 zu bilden.It is therefore possible to separate the upper sideband components of the L1 band signals 74 (the components of the signal 74 above the center carrier frequency of 1575.42 megahertz) from their lower sideband components (the components of the signal 74 which have a lower frequency than the center carrier frequency) by delaying the phase of the video signal 84 by an additional 90° with respect to the video signal 82. and subsequently adding and subtracting the results to form upper and lower sideband signals. The wideband video quadrature hybrid circuit 140, to which in-phase and quadrature video signals 82 and 84 are applied as inputs, performs this additional phase shifting and the addition and subtraction operations to form the upper sideband signal 142 and the lower sideband signal 144.

Die Breitband-Videoquadraturhybridschaltung 140 kann bequemerweise so ausgebildet sein, wie dies im einzelnen in einem Artikel in den Proceedings of the IEEE, Bd. 59 (1971), Seiten 1617-1618, von Alan E. E. Rogers beschrieben ist.The wideband video quadrature hybrid circuit 140 may be conveniently constructed as described in detail in an article in the Proceedings of the IEEE, Vol. 59 (1971), pages 1617-1618, by Alan E. E. Rogers.

Das obere Seitenbandsignal 142 am Ausgang der Breitband- Videoquadraturhybridschaltung 140 ist gleich der arithmetischen Summe der phasengleichen und Quadratur-Videoeingangssignale 82 und 84, wobei beide Eingangssignale in ihrer Phase um Beträge verzögert wurden, die frequenzabhängig sind, wobei jedoch die Phasenverzögerung des Quadratur- Videoeingangssignals 84 größer ist als jene des phasengleichen Videoeingangssignals 82, und zwar um konstante 90º, unabhängig von der Frequenz. Das untere Seitenbandsignal 144 am Ausgang der Breitband-Videoquadraturhybridschaltung 140 ist gleich der arithmetischen Differenz dieser beiden differentiell phasenverschobenen Quadratur- Videoeingangssignale 82 und 84.The upper sideband signal 142 at the output of the wideband video quadrature hybrid circuit 140 is equal to the arithmetic sum of the in-phase and quadrature video input signals 82 and 84, both input signals having been delayed in phase by amounts that are frequency dependent, but with the phase delay of the quadrature video input signal 84 being greater than that of the in-phase video input signal 82 by a constant 90 degrees regardless of frequency. The lower sideband signal 144 at the output of the wideband video quadrature hybrid circuit 140 is equal to the arithmetic difference of these two differentially phase shifted quadrature video input signals 82 and 84.

Beim Betrieb der Rekonstruktionsvorrichtung 86 wird das obere Seitenbandsignal 142 am Ausgang der Breitband-Videoquadraturhybridschaltung 140 durch das Filter 146 gefiltert. Das untere Seitenbandsignal 144 wird durch das Filter 148 gefiltert, welches identisch zum Filter 146 ist.In operation of the reconstruction device 86, the upper sideband signal 142 at the output of the wideband video quadrature hybrid circuit 140 is filtered by the filter 146. The lower sideband signal 144 is filtered by the filter 148, which is identical to the filter 146.

Die Ausgangssignale der Filter 146 und 148 werden als Eingangssignale an den doppelt symmetrischen Mischer 150 angelegt. Das Ausgangssignal des Mischers 150 umfaßt Mischproduktsignale sowohl bei den Summen- als auch Differenzfrequenzen der oberen und unteren Seitenbandeingangssignale 142 und 144. Das Ausgangssignal des Mischers 150 wird durch das Schmalbandpaßfilter 152 gefiltert. Die Zentrumsfrequenz des Schmalbandpaßfilters 152 beträgt 2 fo, also 10,23 Megahertz. Daher wählt das Schmalbandpaßfilter 152 den Summenfrequenzanteil des Ausgangssignals von 150 aus.The output signals of filters 146 and 148 are applied as input signals to double balanced mixer 150. The output signal of mixer 150 includes mixed product signals at both the sum and difference frequencies of the upper and lower sideband input signals 142 and 144. The output signal of mixer 150 is filtered by narrow band pass filter 152. The center frequency of narrow band pass filter 152 is 2 fo, or 10.23 megahertz. Therefore, narrow band pass filter 152 selects the sum frequency component of the output signal from 150.

Die Videoeingangssignale 82 und 84, ebenso wie die oberen und unteren Seitenbandsignale 142 und 144, umfassen ein zusammengesetztes Signal aus sämtlichen verbreiterten Spektrumsignalen, die von sämtlichen sichtbaren GPS-Satelliten in dem L1-Frequenzband empfangen werden. Die Anteile, die einzelne Satelliten in diesen zusammengesetzten Signalen repräsentieren, sind pseudostatistische Signale mit verbreitertem Spektrum, deren Spektren rauschartig sind und keine Anteile mit diskreter Frequenz oder einer kontinuierlichen Welle enthalten. Nachdem jedoch das obere Seitenbandsignal 142 mit dem unteren Seitenbandsignal 144 im Mischer 150 gemischt wurde, sind rekonstruierte Träger mit einer kontinuierlichen Welle, welche diskrete Frequenzen und Phasen aufweisen, in dem zweiten zusammengesetzten Signal 154 am Ausgang des Bandpaßfilters 152 vorhanden.The video input signals 82 and 84, as well as the upper and lower sideband signals 142 and 144, comprise a composite signal of all broadened spectrum signals received from all visible GPS satellites in the L1 frequency band. The components representing individual satellites in these composite signals are pseudo-random broadened spectrum signals whose spectra are noise-like and do not contain any discrete frequency or continuous wave components. However, after the upper sideband signal 142 is mixed with the lower sideband signal 144 in the mixer 150, reconstructed continuous wave carriers having discrete frequencies and phases are present in the second composite signal 154 at the output of the bandpass filter 152.

Die Filter 146 und 148 unterdrücken Signale, welche die fo- Trägerrekonstruktions- und Phasenmessungs-Operationen stören können, die in nachfolgenden Abschnitten der Rekonstruktionsvorrichtung für den fo-Träger des L1-Bandes und Herunterwandler 86 sowie in dem Detektor 206 für die fo-Trägerphase des L1-Bandes durchgeführt werden. Insbesondere sind die Filter 146 und 148 mit Schmalbandunterdrückungseigenschaften oder "Kerbeigenschaften" versehen, um Störsignale schmaler Bandbreite zu unterdrücken, die in den oberen und unteren Seitenbandsignalen 142 vorhanden sein können. Falls sie nicht durch die Filter 146 und 148 unterdrückt werden, könnten derartige Störsignale im Mischer 150 vereinigt werden, so daß sie Störsignale mit Frequenzen erzeugen, die nicht durch das Schmalbandpaßfilter 152 unterdrückt werden könnten. Es kann besonders nützlich sein, jedes der Filter 146 und 148 mit einer Sperrkerbe zu versehen, die bei einer Frequenz fo zentriert ist, da eine kontinuierliche Wellenkomponente des oberen Seitenbandsignals 142 mit einer Frequenz von fo sich mit einer entsprechenden Komponente des unteren Seitenbandsignals 144 mischen könnte, so daß ein Störsignal mit einer Frequenz gleich 2 fo in dem zweiten zusammengesetzten Signal 154 erzeugt wird.The filters 146 and 148 suppress signals that may interfere with the fo carrier reconstruction and phase measurement operations performed in subsequent sections of the L1 band fo carrier reconstruction apparatus and downconverter 86, as well as in the L1 band fo carrier phase detector 206. In particular, the filters 146 and 148 are designed with narrow band rejection characteristics. or "notch characteristics" to reject narrow bandwidth spurious signals that may be present in the upper and lower sideband signals 142. If not rejected by the filters 146 and 148, such spurious signals could be combined in the mixer 150 to produce spurious signals having frequencies that could not be rejected by the narrow band pass filter 152. It may be particularly useful to provide each of the filters 146 and 148 with a notch centered at a frequency fo, since a continuous wave component of the upper sideband signal 142 having a frequency of fo could mix with a corresponding component of the lower sideband signal 144 to produce a spurious signal having a frequency equal to 2 fo in the second composite signal 154.

Weiterhin kann es wünschenswert sein, Filter 146 und 148 mit Hochpaßcharakteristik vorzusehen, um Komponenten oberer und unterer Seitenbandsignale 142 und 144 mit Frequenzen unterhalb von etwa 1 Megahertz zu unterdrücken. In derartigen gesperrten Komponenten würde der überwiegende Teil der sich auf den m(t) oder dem C/A-Code beziehenden Leistung der GPS- Signale liegen. Allgemein ist es wünschenswert, daß die Filter 146 und 148 Rauschen und andere Signale sperren, während sie die gewünschten n(t)- oder sich auf den P-Code beziehenden Komponenten der GPS-Signale durchlassen.It may also be desirable to provide high-pass filters 146 and 148 to reject upper and lower sideband signal components 142 and 144 having frequencies below about 1 megahertz. Such rejected components would contain the majority of the m(t) or C/A code related power of the GPS signals. In general, it is desirable for filters 146 and 148 to reject noise and other signals while passing the desired n(t) or P code related components of the GPS signals.

Unabhängig von den spezifischen Bandsperreigenschaften, die für die Filter 146 und 148 ausgewählt werden, ist es wesentlich, daß diese Filter so ausgelegt sind, daß sie die geringstmöglichen Phasenverschiebungen durch den größten Anteil des interessierenden Videofrequenzbandes erzeugen, welcher sich von etwa 1 Megahertz bis 9 Megahertz erstreckt.Regardless of the specific band-stop characteristics selected for the filters 146 and 148, it is essential that these filters be designed to produce the smallest possible phase shifts through the largest portion of the video frequency band of interest, which ranging from about 1 megahertz to 9 megahertz.

Das zweite zusammengesetzte Signal 154 ist ein zusammengesetztes Signal aus rekonstruierten Trägern, von denen jeder den Fundamentalfrequenz-fo-Subträger von einem GPS-Satelliten repräsentiert. Jeder derartige rekonstruierte Träger in dem zweiten zusammengesetzten Signal 154 weist eine Frequenz nahe 2 fo auf, der zweiten Harmonischen des Fundamentalfrequenz- Subträgers, oder etwa 10,23 Megahertz. Die Frequenzen der rekonstruierten Träger von unterschiedlichen Satelliten sind allerding im allgemeinen nicht exakt dieselben. Die Frequenz des rekonstruierten Trägers von irgendeinem GPS-Satelliten zeigt sich im zweiten zusammengesetzten Signal 154 so, daß sie sich von 2 fo unterscheidet, hauptsächlich als Ergebnis der Dopplerverschiebung infolge der Relativbewegung dieses Satelliten und des Empfängers 24.The second composite signal 154 is a composite signal of reconstructed carriers, each of which represents the fundamental frequency fo subcarrier from a GPS satellite. Each such reconstructed carrier in the second composite signal 154 has a frequency near 2 fo, the second harmonic of the fundamental frequency subcarrier, or about 10.23 megahertz. However, the frequencies of the reconstructed carriers from different satellites are generally not exactly the same. The frequency of the reconstructed carrier from any GPS satellite will appear in the second composite signal 154 to be different from 2 fo, primarily as a result of the Doppler shift due to the relative motion of that satellite and the receiver 24.

Die maximale Dopplerverschiebung, die beim Aufstieg oder Absinken eines Satelliten beobachtet wird, liegt in der Größenordnung von plus bzw. minus 30 Hertz. Daher sollte das Schmalbandpaßfilter 152 eine Bandbreite von zumindest 60 Hertz aufweisen, damit es die rekonstruierten Trägersignale von sämtlichen Satelliten durchläßt. Es ist nicht wünschenswert, daß die Bandbreite des Filters 152 zu groß ist, da Rauschen und Störungen weit von den gewünschten rekonstruierten Subträgerfrequenzen entfernt gesperrt werden sollten. Allerdings ist es ebenfalls unerwünscht, daß die Bandbreite des Schmalbandpaßfilters 152 zu gering ist, da eine geringe Bandbreite in einem Bandpaßfilter gewöhnlich von einer Phasenverschiebung begleitet wird, die sich scharf in Abhängigkeit von der Frequenz innerhalb des Durchlaßbandes ändert. Es ist daher vorzuziehen, eine Bandbreite von mehreren Kilohertz in dem Schmalbandpaßfilter 152 zu verwenden, um die Phasenlinearität des Empfängers 24 beizubehalten.The maximum Doppler shift observed during ascent or descent of a satellite is on the order of plus or minus 30 hertz, respectively. Therefore, the narrow band pass filter 152 should have a bandwidth of at least 60 hertz in order to pass the reconstructed carrier signals from all satellites. It is undesirable for the bandwidth of the filter 152 to be too wide, since noise and interference far from the desired reconstructed subcarrier frequencies should be rejected. However, it is also undesirable for the bandwidth of the narrow band pass filter 152 to be too narrow, since a narrow bandwidth in a band pass filter is usually accompanied by a phase shift that varies sharply with frequency within the pass band. It is therefore preferable to use a bandwidth of several kilohertz in the narrow band pass filter 152 to maintain the phase linearity of the receiver 24.

Das zweite zusammengesetzte Signal 154 am Ausgang des Schmalbandpaßfilters 152 wird einem Paar identischer, doppelt symmetrischer Mischer 156 und 158 zugeführt. Das Lokaloszillator-Bezugseingangssignal 160, welches an den doppelt symmetrischen Mischer 156 angelegt wird, weist eine konstante Frequenz von 2 fo auf, die in dem Frequenzteiler 162 aus dem 4 fo-Bezugsfrequenzsignal 26 abgeleitet wird, welches von dem Frequenzstandard 28 geliefert wird, wie in Fig. 2 gezeigt ist.The second composite signal 154 at the output of the narrow band pass filter 152 is applied to a pair of identical double balanced mixers 156 and 158. The local oscillator reference input signal 160 applied to the double balanced mixer 156 has a constant frequency of 2 fo which is derived in the frequency divider 162 from the 4 fo reference frequency signal 26 provided by the frequency standard 28 as shown in Fig. 2.

Das Ausgangssignal 164 des doppelt symmetrischen Mischers 156 enthält Mischprodukte sowohl bei den Summen- als auch bei den Differenzfrequenzen seiner Eingangssignale, die rekonstruierten Träger in dem zweiten zusammengesetzten Signal 154, und das 2 fo-Lokaloszillator-Bezugseingangssignal 160. Die Summenfrequenzen liegen nahe bei 4 fo. Die gewünschten Differenzfrequenzen betragen gewöhnlich weniger als 30 Hertz. Das Ausgangssignal 164 wird als Eingangssignal an ein Tiefpaßfilter 166 angelegt, welches eine Bandbreite von etwa 1 Kilohertz aufweist. Das Tiefpaßfilter 166 dient zur Unterdrückung der Summenfrequenzen und zum Durchlassen der Differenzfrequenzen, um zusammengesetzte Signale 88 mit phasengleichem, rekonstruierten Träger zu erzielen, die zur Vereinfachung als SI(L1) bezeichnet sind.The output signal 164 of the double balanced mixer 156 includes mixing products at both the sum and difference frequencies of its input signals, the reconstructed carriers in the second composite signal 154, and the 2 fo local oscillator reference input signal 160. The sum frequencies are close to 4 fo. The desired difference frequencies are typically less than 30 hertz. The output signal 164 is applied as an input to a low pass filter 166 which has a bandwidth of about 1 kilohertz. The low pass filter 166 serves to suppress the sum frequencies and pass the difference frequencies to achieve composite signals 88 with in-phase reconstructed carrier, which are referred to for simplicity as SI(L1).

Das Lokaloszillator-Bezugseingangssignal 160 wird ebenfalls an die 90º-Phasenverzögerungsschaltung 172 angelegt, und ein verzögertes Lokaloszillator-Bezugseingangssignal 160 wird ebenfalls an die 90º-Phasenverzögerungsschaltung 172 angelegt, um einen verzögerten Lokaloszillator zu erhalten, welcher dem Lokaloszillatorsignal 160 um 90º nacheilt. Das verzögerte Lokaloszillatorsignal 170 wird als Eingangssignal an den doppelt symmetrischen Mischer 158 angelegt. Das Ausgangssignal 174 des doppelt symmetrischen Mischers enthält Mischprodukte bei den Summen- und Differenzfrequenzen seiner Eingangssignale, der rekonstruierten Träger in dem zweiten zusammengesetzten Signal 174 und des verzögerten Lokaloszillatorsignals 170. Die Summenfrequenzen liegen nahe bei 4 fo. Die Differenzfrequenzen betragen im allgemeinen weniger als 30 Hertz. Das Ausgangssignal 174 wird als Eingangssignal an das Tiefpaßfilter 176 angelegt, welches eine Bandbreite von etwa 1 Kilohertz aufweist. Das Tiefpaßfilter 176 dient zum Sperren der Summenfrequenzen und zum Durchlassen der Differenzfrequenzen, um so das zusammengesetzte Quadraturphasenrekonstruierte L1-Band-fo-Trägersignal 90 zu erhalten, welches zur Vereinfachung als SQ(L1) bezeichnet ist.The local oscillator reference input signal 160 is also applied to the 90° phase delay circuit 172, and a delayed local oscillator reference input signal 160 is also applied to the 90° phase delay circuit 172 to obtain a delayed local oscillator which lags the local oscillator signal 160 by 90°. The delayed local oscillator signal 170 is applied as an input to the double balanced mixer 158. The output signal 174 of the double balanced mixer includes Mixing products at the sum and difference frequencies of its input signals, the reconstructed carriers in the second composite signal 174, and the delayed local oscillator signal 170. The sum frequencies are close to 4 fo. The difference frequencies are generally less than 30 hertz. The output signal 174 is applied as an input to the low pass filter 176, which has a bandwidth of about 1 kilohertz. The low pass filter 176 serves to reject the sum frequencies and pass the difference frequencies to obtain the composite quadrature phase reconstructed L1 band fo carrier signal 90, which is denoted for simplicity as SQ(L1).

Wie voranstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert, arbeitet die Schaltung 96 für die fo-Trägerrekonstruktion und die Herunterwandlung auf dieselbe Weise wie die Schaltung 86 für die fo-Trägerrekonstruktion und Herunterwandlung, die gerade voranstehend beschrieben wurde. Die Rekonstruktionsvorrichtung 96 dient zur Erzeugung phasengleicher, rekonstruierter Trägersignale 98, die als SI(L2) bezeichnet sind, und zusammengesetzter Quadraturphasen-Rekonstruktionsträgersignale 100, die als SQ(L2) bezeichnet sind.As explained above with reference to Figure 3, the fo carrier reconstruction and down conversion circuit 96 operates in the same manner as the fo carrier reconstruction and down conversion circuit 86 just described above. The reconstructor 96 serves to generate in-phase reconstructed carrier signals 98, designated SI(L2), and composite quadrature phase reconstruction carrier signals 100, designated SQ(L2).

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 3 werden daher fo-Träger, die implizit in den Signalen enthalten sind, die sowohl in dem L1- als auch L2-Band empfangen werden, rekonstruiert und in ihrer Frequenz heruntergewandelt, aus der Nähe von 10,23 Megahertz in die Nähe von Null. Der Zweck der Herunterwandlung der Frequenz besteht darin, es den nachfolgenden Signalverarbeitungsschaltungen zu ermöglichen, mit niedriger Geschwindigkeit betrieben zu werden.Therefore, referring again to Fig. 3, fo carriers, which are implicitly contained in the signals received in both the L1 and L2 bands, are reconstructed and frequency down-converted from near 10.23 megahertz to near zero. The purpose of the frequency down-conversion is to allow the subsequent signal processing circuits to operate at low speed.

Fig. 6Fig.6

In Fig. 6 ist der Satellitenverfolgungskanal 32, der in Fig. 2 gezeigt ist, mit mehr Einzelheiten dargestellt. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 erwähnt, ist ein derartiger Verfolgungskanal 32 pro verfolgten Satelliten erforderlich. Daher enthält der Empfänger 24 typischerweise sechs derartige Verfolgungskanäle 32. Sämtliche dieser Verfolgungskanäle 32 sind identisch und arbeiten auf dieselbe Weise. Daher wird im einzelnen unter Bezugnahme auf die Fig. 6 der Betrieb nur eines dieser Verfolgungskanäle 32 beschrieben. Zur Erleichterung der Diskussion wird angenommen, daß der in Fig. 6 gezeigte Verfolgungskanal 32 dem GPS-Satelliten 12 durch die Satellitenzuordnung 41 von dem Echtzeitcomputer 40 zugeordnet wurde.In Fig. 6, the satellite tracking channel 32 shown in Fig. 2 is shown in more detail. As mentioned with reference to Fig. 2, one such tracking channel 32 is required per satellite tracked. Therefore, the receiver 24 typically includes six such tracking channels 32. All of these tracking channels 32 are identical and operate in the same manner. Therefore, the operation of only one of these tracking channels 32 will be described in detail with reference to Fig. 6. For ease of discussion, it is assumed that the tracking channel 32 shown in Fig. 6 has been assigned to the GPS satellite 12 by the satellite assignment 41 of the real-time computer 40.

Sämtliche Verfolgungskanäle 32 empfangen denselben Satz niederfrequenter Signale 30 von dem Empfänger 24, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die niederfrequenten Signale 30 umfassen phasengleiche und Quadratur-Videosignale 82 und 84 von dem Herunterwandler 76 für die L1-Funkfrequenz auf Videofrequenz, und ebenso aus L1-Band-phasengleichen und Quadratur-rekonstruierten Trägern zusammengesetzte Signale 88 und 90 von der Rekonstruktionsvorrichtung 86, sowie L2-Band-phasengleiche und Quadratur-rekonstruierte Trägerverbundsignale 98 und 100 von der Rekonstruktionsvorrichtung 96, die sämtlich in Fig. 3 gezeigt sind.All tracking channels 32 receive the same set of low frequency signals 30 from receiver 24 as shown in Fig. 2. Low frequency signals 30 include in-phase and quadrature video signals 82 and 84 from L1 radio frequency to video frequency downconverter 76, and also L1 band in-phase and quadrature reconstructed carrier composite signals 88 and 90 from reconstructor 86, and L2 band in-phase and quadrature reconstructed carrier composite signals 98 and 100 from reconstructor 96, all of which are shown in Fig. 3.

Sämtliche Verfolgungskanäle 32 empfangen weiterhin ein 4 fo- Bezugsfrequenzsignal 26 von dem Frequenzstandard 28 in Fig. 2 und eine kontinuierlich aktualisierte, digitale Echtzeitanzeige 34 von der Echtzeituhr 36, wie in Fig. 2 gezeigt. Zusätzlich empfängt jeder Verfolgungskanal 32 Schätzwerte 38, die von dem Echtzeitcomputer 40 berechnet werden, der Frequenz und der C/A-Code-Verzögerung der GPS-Signale 15, die von der Antenne 22 von dem GPS-Satelliten empfangen werden, der durch diesen Kanal verfolgt werden soll.All tracking channels 32 also receive a 4 fo reference frequency signal 26 from the frequency standard 28 in Fig. 2 and a continuously updated real-time digital display 34 from the real-time clock 36 as shown in Fig. 2. In addition, each tracking channel 32 receives estimates 38, calculated by the real-time computer 40, of the frequency and C/A code delay of the GPS signals 15 received from the Antenna 22 can receive signals from the GPS satellite to be tracked by this channel.

Die Schätzwerte 38 umfassen eine kontinuierlich aktualisierte Schätzung der Frequenz des 308-fo-L1-Band-Zentrumsfrequenzträgers, der von dem GPS-Satelliten 12 empfangen wird. Die empfangene Frequenz irgendeiner Komponente der GPS-Signale 15 unterscheidet sich von der Frequenz der entsprechenden Komponente der Signale, die von dem GPS-Satelliten 12 gesendet werden, aufgrund der Dopplerverschiebung infolge der Relativbewegung der Antenne 22 und des GPS-Satelliten 12.The estimates 38 include a continuously updated estimate of the frequency of the 308 fo L1 band center frequency carrier received by the GPS satellite 12. The received frequency of any component of the GPS signals 15 differs from the frequency of the corresponding component of the signals transmitted by the GPS satellite 12 due to the Doppler shift resulting from the relative motion of the antenna 22 and the GPS satellite 12.

Zusätzlich kann sich die Frequenz des L1-Band-Zentrumsfrequenzträgers, die implizit in den von dem GPS-Satelliten 12 gesendeten Signalen enthalten ist, von exakt 1575,42 Megahertz unterscheiden, infolge irgendwelcher Schwankungen, entweder zufällig oder absichtlich, der Satelliten-Fundamentalfrequenz fo, die in dem GPS-Satelliten 12 verwendet wird.In addition, the frequency of the L1 band center frequency carrier implicitly included in the signals transmitted by the GPS satellite 12 may differ from exactly 1575.42 megahertz due to any variations, either accidental or intentional, in the satellite fundamental frequency fo used in the GPS satellite 12.

Zusätzlich zu dem Frequenzschätzwert des 308-fo-L1-Band- Zentrumsfrequenzträgers umfassen die Schätzwerte 38 einen Gruppenverzögerungs-Anfangswert 37, wie in Fig. 13 gezeigt ist.In addition to the frequency estimate of the 308 fo L1 band center frequency carrier, the estimates 38 include a group delay initial value 37 as shown in Fig. 13.

Phasengleiche und Quadratur-Videosignale 82 und 84, das 4 fo-Bezugsfrequenzsignal 26 und die digitale Echtzeitanzeige 34 werden als Eingangssignale an den 308-fo-Trägerphasen- und C/A-Code-Verzögerungsfehlerdetektor 190 angelegt, der ebenfalls den 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 und den C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 194 als Eingangssignale von dem Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 empfängt. Der 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 ist ein Bruchteilszyklusteil des 308- fo-Trägerphasenschätzwertes Φest 856, wie nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 13 beschrieben wird. Der C/A-Code- Gruppenverzögerungsschätzwert τest 194 ist ein Bruchteilsperiodenanteil des C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwertes τest 876, wie ebenfalls nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 13 beschrieben wird.In-phase and quadrature video signals 82 and 84, the 4 fo reference frequency signal 26 and the real-time digital display 34 are applied as inputs to the 308 fo carrier phase and C/A code delay error detector 190, which also receives the 308 fo carrier phase estimate φest 192 and the C/A code group delay estimate τest 194 as inputs from the phase and group delay register subsystem 196. The 308 fo carrier phase estimate φest 192 is a fractional cycle portion of the 308 fo carrier phase estimate φest 856, as shown below. with reference to Fig. 13. The C/A code group delay estimate τest 194 is a fractional period portion of the C/A code group delay estimate τest 876, as also described below with reference to Fig. 13.

Der Fehlerdetektor 190 für die 308-fo-Trägerphase und die C/A-Code-Verzögerung dient zur Erzeugung eines Phasenfehlersignals 198 und eines Gruppenverzögerungsfehlersignals 200 und ebenso einer Anzeige 410 oberhalb der Schwelle, einer zeitgleichen Signalenergieanzeige 348 und eines Vorzeichenbits 201, wie nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 10 erläutert wird.The 308 fo carrier phase and C/A code delay error detector 190 serves to generate a phase error signal 198 and a group delay error signal 200, as well as an above-threshold indication 410, a concurrent signal energy indication 348, and a sign bit 201, as will be explained below with reference to Figures 7 and 10.

Die 308-fo-implizite Trägerphasenobservable Φ ist implizit in den GPS-Signalen 15 enthalten, die von dem GPS-Satelliten 12 empfangen werden, und ist daher implizit in dem komplexen Videosignal V enthalten, also in den phasengleichen und Quadratur-Videosignalen 82 und 84. Entsprechend ist die aktuelle Gruppenverzögerung, die zwischen der Sendung durch den GPS- Satelliten 12 und dem Empfang durch die Antenne 22 der C/A- Komponente auftritt, die implizit in dem L1-Band-Abschnitt der GPS-Signale 15 enthalten ist, nämlich die C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservable τ, implizit im komplexen Videosignal V enthalten.The 308-fo implicit carrier phase observable φ is implicitly included in the GPS signals 15 received from the GPS satellite 12 and is therefore implicitly included in the complex video signal V, i.e., in-phase and quadrature video signals 82 and 84. Accordingly, the actual group delay occurring between the transmission by the GPS satellite 12 and the reception by the antenna 22 of the C/A component implicitly included in the L1 band portion of the GPS signals 15, namely, the C/A code group delay observable τ, is implicitly included in the complex video signal V.

Das Phasenfehlersignal 198 ist ein Schätzwert für die Differenz zwischen der 308-fo-impliziten Trägerphasenobservablen Φ und dem 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192. Das Gruppenverzögerungsfehlersignal 200 repräsentiert einen Schätzwert der Differenz zwischen der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ und dem C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 194.The phase error signal 198 is an estimate of the difference between the 308 fo implicit carrier phase observable φ and the 308 fo carrier phase estimate φest 192. The group delay error signal 200 represents an estimate of the difference between the C/A code group delay observable τ and the C/A code group delay estimate τest 194.

Die 308-fo-implizite Trägerphasenobservable Φ und die C/A- Code-Gruppenverzögerungsobservable τ werden durch das Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 als Ergebnis der Wechselwirkung mit dem 308-fo-Trägerphasen- und C/A- Code-Verzögerungsfehlerdetektor 190 verfolgt. Das Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 und der 308-fo- Trägerphasen- und C/A-Code-Verzögerungsfehlerdetektor 190 arbeiten so zusammen, daß sie Rückkopplungsschleifen bilden, um das Phasenfehlersignal 198 und das Gruppenverzögerungsfehlersignal 200 zu minimalisieren. Die Zusammenarbeit des 308-fo-Trägerphasen- und C/A-Code-Verzögerungsfehlerdetektors 190 und des Phasen- und Gruppenverzögerungsregister- Subsystems 196 dient daher dazu, miteinander in Beziehung stehende und verbundene Phasen- und Verzögerungs-Rückkopplungsschleifen zu bilden, welche die Phase und Gruppenverzögerung jeweils von Signalen verfolgen, die implizit in den GPS-Signalen 15 enthalten sind.The 308-fo implicit carrier phase observable φ and the C/A code group delay observable τ are tracked by the phase and group delay register subsystem 196 as a result of interaction with the 308-fo carrier phase and C/A code delay error detector 190. The phase and group delay register subsystem 196 and the 308-fo carrier phase and C/A code delay error detector 190 cooperate to form feedback loops to minimize the phase error signal 198 and the group delay error signal 200. The cooperation of the 308fo carrier phase and C/A code delay error detector 190 and the phase and group delay register subsystem 196 therefore serves to form interrelated and interconnected phase and delay feedback loops which track the phase and group delay of signals implicitly included in the GPS signals 15, respectively.

Wie nachstehend mit mehr Einzelheiten unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben wird, erzeugt das Trägerphasen- und C/A- Code-Verzögerungsregister-Subsystem 196 ebenfalls einen fo- Trägerphasenschätzwert 204, welcher einen Schätzwert der Phase des Satelliten-Fundamentalfrequenz-fo-Trägers darstellt, der implizit in den L1-Band-Signalen von 1575,42 Megahertz enthalten ist, die von dem GPS-Satelliten 12 empfangen werden. Der fo-Trägerphasenschätzwert 204 wird sowohl dem fo-Trägerphasendetektor 206 für das L1-Band als auch dem fo-Trägerphasendetektor 208 für das L2-Band zugeführt.As described in more detail below with reference to Fig. 7, the carrier phase and C/A code delay register subsystem 196 also generates a fo carrier phase estimate 204 which represents an estimate of the phase of the satellite fundamental frequency fo carrier implicitly contained in the 1575.42 megahertz L1 band signals received from the GPS satellite 12. The fo carrier phase estimate 204 is provided to both the fo carrier phase detector 206 for the L1 band and the fo carrier phase detector 208 for the L2 band.

Der L1-fo-Trägerphasendetektor 206 empfängt das zusammengesetzte Signal 88 des phasengleichen, rekonstruierten L1- Band-fo-Trägers und das zusammengesetzte Signal 90 des Quadraturphasen-rekonstruierten L1-Band-fo-Trägers als Eingangssignale von der Rekonstruktionsvorrichtung 86. Der L2-fo-Trägerphasendetektor 208 empfängt die zusammengesetzten Signale 98 und 100 für den phasengleichen bzw. Quadraturrekonstruierten Träger von der Rekonstruktionsvorrichtung 96. Der L1-Band-fo-Trägerphasenschätzwert 204 wird dem L1-fo- Trägerphasendetektor 206 zugeführt, welcher eine L1-fo- Restphasenmessung 210 durchführt, die gleich der Differenz zwischen dem fo-Trägerphasenschätzwert 204 und der Observablen ψL1 der implizit in dem L1-Band enthaltenen fo-Trägerphase, die implizit in dem L1-Band-Abschnitt der GPS-Signale 15 enthalten ist, die von der Antenne 22 empfangen werden. Der fo-Trägerphasenschätzwert 204 wird ebenfalls dem L2-fo- Trägerphasendetektor 208 zugeführt, welcher eine L2-fo-Restphasenmessung 212 durchführt, die gleich der Differenz zwischen dem fo-Trägerphasenschätzwert 204 und der Observablen ψL2 für die implizit in dem L2-Band enthaltene fo-Trägerphase ist, welche implizit in dem L2-Band-Abschnitt der empfangenen GPS-Signale 15 enthalten ist. Die L1-fo-Restphasenmessung 210 und die L2-fo-Restphasenmessung 212 sind in den Messungen 42 enthalten, die dem Echtzeitcomputer 40 zugeführt werden.The L1-fo carrier phase detector 206 receives the composite signal 88 of the in-phase reconstructed L1-band fo carrier and the composite signal 90 of the quadrature-phase reconstructed L1-band fo carrier as input signals from the reconstruction device 86. The L2-fo carrier phase detector 208 receives the composite signals 98 and 100 for the in-phase and quadrature reconstructed carrier, respectively, from the reconstructor 96. The L1 band fo carrier phase estimate 204 is provided to the L1 fo carrier phase detector 206, which performs an L1 fo residual phase measurement 210 equal to the difference between the fo carrier phase estimate 204 and the observable ψL1 of the fo carrier phase implicitly contained in the L1 band portion of the GPS signals 15 received by the antenna 22. The fo carrier phase estimate 204 is also fed to the L2 fo carrier phase detector 208 which makes an L2 fo residual phase measurement 212 equal to the difference between the fo carrier phase estimate 204 and the observable ψL2 for the fo carrier phase implicitly contained in the L2 band portion of the received GPS signals 15. The L1 fo residual phase measurement 210 and the L2 fo residual phase measurement 212 are included in the measurements 42 fed to the real-time computer 40.

Fig. 7Fig.7

In Fig. 7 ist der Fehlerdetektor 190 für die 308-fo-Trägerphase und dem C/A-Code-Verzögerungsfehler in dem Satelliten-Verfolgungskanal 32 von Fig. 6 mit mehr Einzelheiten dargestellt. Wie voranstehend in bezug auf Fig. 6 erwähnt, arbeitet der Detektor 190 für die 308-fo-Trägerphase und dem C/A-Code-Verzögerungsfehler mit dem Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 innerhalb des Satelliten- Verfolgungskanals 32 zusammen, um Phasen- und Verzögerungsrückgekoppelte Schleifen auszubilden. Der Detektor 190 für die 308-fo-Trägerphase und den C/A-Code-Verzögerungsfehler empfängt das phasengleiche Videosignal 82 und das Quadratur-Videosignal 84 als Eingangssignale von dem L1- Herunterwandler 76 und dient, unter Verwendung des Bezugsfrequenz-Eingangssignals 26 und der digitalen Echtzeitanzeige 34 zur Erzeugung des Phasenfehlersignals 198 und des Gruppenverzögerungsfehlersignals 200 durch Vergleichen der aktuellen, implizit in der 308-fo-Trägerphase enthaltenen Observablen Φ und der aktuellen C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ, die implizit in dem komplexen Videosignal V enthalten sind, mit dem 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 und den C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 194 aus dem Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196. Der Detektor 190 für die 308-fo-Trägerphase und den C/A-Code- Verzögerungsfehler enthält einen Zeigerzählerrotator 220, einen Korrelator 226 und einen C/A-Code-Generator 230. Der Zeigerzählerrotator 220, der Korrelator 226 und der C/A-Code- Generator 230 sind nachstehend mit mehr Einzelheiten unter Bezug auf die Fig. 9, 10 bzw. 11 gezeigt.In Fig. 7, the 308 fo carrier phase and C/A code delay error detector 190 in the satellite tracking channel 32 of Fig. 6 is shown in more detail. As mentioned above with respect to Fig. 6, the 308 fo carrier phase and C/A code delay error detector 190 cooperates with the phase and group delay register subsystem 196 within the satellite tracking channel 32 to form phase and delay feedback loops. The 308 fo carrier phase and C/A code delay error detector 190 receives the in-phase video signal 82 and the Quadrature video signal 84 as inputs from the L1 downconverter 76 and, using the reference frequency input signal 26 and the real-time digital display 34, serves to generate the phase error signal 198 and the group delay error signal 200 by comparing the current observables ? implicitly contained in the 308 fo carrier phase. and the current C/A code group delay observable τ implicitly contained in the complex video signal V with the 308 fo carrier phase estimate φest 192 and the C/A code group delay estimate τ est 194 from the phase and group delay register subsystem 196. The 308 fo carrier phase and C/A code delay error detector 190 includes a phasor counter rotator 220, a correlator 226, and a C/A code generator 230. The phasor counter rotator 220, the correlator 226, and the C/A code generator 230 are shown in more detail below with reference to FIGS. 9, 10, and 11, respectively.

Das phasengleiche Videosignal 280 und das Quadratur-Videosignal 84 von dem L1-Herunterwandler 76, der in Fig. 3 gezeigt ist, werden als Eingangssignale an den Zeigerzählerrotator 220 angelegt, welcher ebenfalls den 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 empfängt. Der Zeigerzählerrotator 220 subtrahiert den 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 von dem Phasenwinkel des komplexen Videosignals V. Als Ergebnis dieser Subtraktion wird die Änderungsrate der Zentrumsfrequenzträgerphase, die implizit in dem komplexen Videosignal V enthalten ist, um einen Betrag verringert, der gleich der Änderungsrate des 308-fo-Trägerphasenschätzwerts Φest 192 ist.The in-phase video signal 280 and the quadrature video signal 84 from the L1 downconverter 76 shown in Figure 3 are applied as inputs to the phasor counter rotator 220 which also receives the 308 fo carrier phase estimate φest 192. The phasor counter rotator 220 subtracts the 308 fo carrier phase estimate φest 192 from the phase angle of the complex video signal V. As a result of this subtraction, the rate of change of the center frequency carrier phase implicitly contained in the complex video signal V is reduced by an amount equal to the rate of change of the 308 fo carrier phase estimate φest 192.

Der Phasenzählerrotator 220, wie mit mehr Einzelheiten in bezug auf Fig. 9 nachstehend beschrieben, erzeugt ein phasengleiches, entwickeltes Videosignal 222, UI, und ein Quadratur-entwickeltes Videosignal 224 UQ, welche zusammengenommen das entwickelte, komplexe Videosignal U bilden. Der Begriff "entwickelt" in dem Ausdruck "entwickeltes, komplexes Videosignal U" betrifft die Verringerung der Geschwindigkeit der Drehung des Zeigers in der komplexen Ebene, die zur Darstellung des entwickelten, komplexen Videosignals U verwendet werden kann. Das entwickelte, komplexe Videosignal U wird "entwickelt" in dem Sinn, daß es im wesentlichen gleich dem komplexen Videosignal V ist, mit der Ausnahme, daß die Drehgeschwindigkeit in der komplexen Ebene des Zeigers des entwickelten, komplexen Videosignals U wesentlich geringer ist als die Geschwindigkeit des Zeigers in der komplexen Ebene, welche zur Darstellung des komplexen Videosignals V verwendet werden kann. Anders ausgedrückt ändert sich die sich konstant ändernde Phase des entwickelten, komplexen Videosignals U mit einer erheblich geringeren Rate als die konstant sich ändernde Phase des komplexen Videosignals V. Die Darstellung des komplexen Videosignals V und des entwickelten, komplexen Videosignals U in der komplexen Ebene und der Betrieb des Zeigerzählerrotators 220 lassen sich unter Bezugnahme auf Fig. 8 verstehen.The phase counter rotator 220, as described in more detail with reference to Fig. 9 below, produces an in-phase developed video signal 222, UI, and a Quadrature expanded video signal 224 UQ which together form the expanded complex video signal U. The term "expanded" in the expression "expanded complex video signal U" refers to reducing the speed of rotation of the pointer in the complex plane which can be used to represent the expanded complex video signal U. The expanded complex video signal U is "expanded" in the sense that it is substantially equal to the complex video signal V, except that the speed of rotation in the complex plane of the pointer of the expanded complex video signal U is substantially less than the speed of the pointer in the complex plane which can be used to represent the complex video signal V. In other words, the constantly changing phase of the developed complex video signal U changes at a significantly slower rate than the constantly changing phase of the complex video signal V. The representation of the complex video signal V and the developed complex video signal U in the complex plane and the operation of the pointer counter rotator 220 can be understood by referring to Fig. 8.

Fig. 8Fig.8

Unter Bezugnahme auf Fig. 8 läßt sich die Operation des Zeigerzählerrotators 220 auf nachfolgende Weise verstehen. Wie voranstehend erwähnt können das phasengleiche Videosignal 82, VI, und das Quadratur-Videosignal 84, VQ, als der Realbzw. Imaginärteil des komplexen Videosignals V angesehen werden; also:Referring to Fig. 8, the operation of the pointer counter rotator 220 can be understood in the following manner. As mentioned above, the in-phase video signal 82, VI, and the quadrature video signal 84, VQ, can be considered as the real and imaginary parts of the complex video signal V, respectively; that is:

V = VI + i VQV = VI + i VQ

wobei i die Quadratwurzel von -1 ist. Entsprechend sind das phasengleiche, entwickelte Videosignal 222, UI, und das Quadratur-entwickelte Videosignal 224, UQ, der Real- und Imaginärteil des entwickelten, komplexen Videosignals U; also:where i is the square root of -1. Accordingly, the in-phase developed video signal 222, UI, and the quadrature developed video signal 224, UQ, the real and imaginary parts of the developed complex video signal U; thus:

U = UI + i UQ.U = UI + i UQ.

Der Zeigerzählerrotator 220 erzeugt das entwickelte, komplexe Videosignal U gemäß nachstehender Gleichung:The pointer counter rotator 220 generates the developed complex video signal U according to the following equation:

U = V·exp (-i Φest),U = V exp (-i Φest),

wobei "exp ( )" folgende komplexe Exponentialfunktion istwhere "exp ( )" is the following complex exponential function

exp (i Φest) = cos (Φest) + i·sin (Φest).exp (i Φest) = cos (Φest) + i sin (Φest).

Daher ist der Phasenwinkel des entwickelten, komplexen Videosignals U gleich dem Phasenwinkel des komplexen Videosignals V minus dem 308-fo-Trägerphasenschätzwert est 192.Therefore, the phase angle of the developed complex video signal U is equal to the phase angle of the complex video signal V minus the 308 fo carrier phase estimate est 192.

Fig. 8A ist eine Darstellung des komplexen Videosignals V in der komplexen Ebene. Die phasengleiche oder reelle Komponente des komplexen Videosignals V ist auf der Horizontalachse 85 aufgetragen, und die Quadratur- oder Imaginärkomponente des komplexen Videosignals V ist auf der Vertikalachse 87 aufgetragen. Das phasengleiche Videosignal 82 ist gleich der Projektion auf die Horizontalachse 85, und das Quadratur- Videosignal 84 ist gleich der Projektion auf die Quadratur- Vertikalachse 87, des Videozeigers 83. Der Zeiger 83, dessen Winkel als ein Winkel 81, R, dargestellt ist, stellt das komplexe Videosignal V dar.Fig. 8A is a representation of the complex video signal V in the complex plane. The in-phase or real component of the complex video signal V is plotted on the horizontal axis 85, and the quadrature or imaginary component of the complex video signal V is plotted on the vertical axis 87. The in-phase video signal 82 is equal to the projection on the horizontal axis 85, and the quadrature video signal 84 is equal to the projection on the quadrature vertical axis 87, of the video pointer 83. The pointer 83, whose angle is shown as an angle 81, R, represents the complex video signal V.

Der Quadrant oben rechts der komplexen Ebene in Fig. 8A ist der Quadrant, in welchem die Vorzeichen sowohl des phasengleichen Videosignals 82 als auch des Quadratur-Videosignals 84 positiv sind. Dieser Quadrant wird nach üblicher Vereinbarung als der erste Quadrant bezeichnet. Entsprechend ist der obere linke Quadrant der Quadrant, in welchem das Vorzeichen des phasengleichen Videosignals 82 negativ ist, und das Vorzeichen des Quadratur-Videosignals 84 positiv. Dieser Quadrant wird als der zweite Quadrant bezeichnet. Der untere linke Quadrant ist der Quadrant, in welchem die Vorzeichen sowohl des phasengleichen Videosignals 82 als auch des Quadratur-Videosignals 84 negativ sind. Dieser Quadrant wird als der dritte Quadrant bezeichnet. Der untere rechte Quadrant ist der Quadrant, in welchem das Vorzeichen des phasengleichen Videosignals 82 positiv ist, und das Vorzeichen des Quadratur-Videosignals 84 negativ. Dieser Quadrant wird als der vierte Quadrant bezeichnet.The upper right quadrant of the complex plane in Fig. 8A is the quadrant in which the signs of both the in-phase video signal 82 and the quadrature video signal 84 are positive. This quadrant is referred to as the first quadrant by common convention. Similarly, the upper left quadrant is the quadrant in which the sign of the in-phase video signal 82 is negative and the sign of the quadrature video signal 84 is positive. This quadrant is referred to as the second quadrant. The lower left quadrant is the quadrant in which the signs of both the in-phase video signal 82 and the quadrature video signal 84 are negative. This quadrant is referred to as the third quadrant. The lower right quadrant is the quadrant in which the sign of the in-phase video signal 82 is positive and the sign of the quadrature video signal 84 is negative. This quadrant is referred to as the fourth quadrant.

Fig. 8B ist eine Darstellung in der komplexen Ebene des 308- fo-Trägerphasenschätzwert-Zeigers 193, dessen Winkel gleich dem 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 ist. Entsprechend ist Fig. 8C eine Darstellung in der komplexen Ebene des entwickelten, komplexen Videozeigers 223, dessen Winkel gleich der Differenz zwischen dem Winkel 81, R, und dem 308-fo- Trägerphasenschätzwert Φest 192 ist.Fig. 8B is a complex plane representation of the 308 fo carrier phase estimate phasor 193 whose angle is equal to the 308 fo carrier phase estimate Φest 192. Similarly, Fig. 8C is a complex plane representation of the developed complex video phasor 223 whose angle is equal to the difference between the angle θ1, R, and the 308 fo carrier phase estimate Φest 192.

In Fig. 8D ist die komplexe Ebene des rekonstruierten fo- Trägerverbundsignals S(L1) des L1-Bandes gezeigt, wobei der Realteil SI(L1) und der Imaginärteil SQ(L1) auf der horizontalen bzw. der vertikalen Koordinatenachse aufgetragen ist. Der Zeiger 89 ist die Vektorsumme oder die Resultierende der Zeiger 89&sub1;&sub2;, 89&sub1;&sub3; und 89&sub1;&sub4;, welche die Komponenten von S(L1) repräsentieren, die durch den zusammengesetzten Zeiger 89 des aus dem L1-Band rekonstruierten Trägers repräsentieren, infolge der GPS-Satelliten 12, 13 bzw. 14.In Fig. 8D, the complex plane of the reconstructed L1 band fo carrier composite signal S(L1) is shown with the real part SI(L1) and the imaginary part SQ(L1) plotted on the horizontal and vertical coordinate axes, respectively. The phasor 89 is the vector sum or resultant of the phasors 8912, 8913 and 8914, which represent the components of S(L1) represented by the composite phasor 89 of the L1 band reconstructed carrier, due to GPS satellites 12, 13 and 14, respectively.

Fig. 8E ist eine Momentanaufnahme, gesehen von der Antenne 22 aus zu einem Zeitpunkt, welcher die Beziehung zwischen der Satellitenuhranzeige t&sub1; 601, dem Verzögerungsfehlersignal 200, dem 30-Bit-C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 876, und der digitalen Echtzeitanzeige 34 von der Echtzeituhr 36 anzeigt.Fig. 8E is a snapshot viewed from the antenna 22 at a time indicative of the relationship between the satellite clock indication t1 601, the delay error signal 200, the 30-bit C/A code group delay estimate τest 876, and the real-time digital indication 34 from the real-time clock 36.

Die Satellitenuhranzeige t&sub1; 601 ist die Zeit, die von dem Signal angezeigt wird, welches von dem GPS-Satelliten 12 empfangen wird, für eine bestimmte, digitale Echtzeitanzeige 34 von der Echtzeituhr 36. Die Satellitenuhranzeige t&sub1; 601 ist implizit in der Modulation der GPS-Signale 15 enthalten, die von dem GPS-Satelliten 12 empfangen werden, und kann explizit dadurch gelesen werden, daß die gesendete Navigationsnachricht dekodiert wird, die in diesem Signal enthalten ist.The satellite clock indication t1 601 is the time indicated by the signal received from the GPS satellite 12 for a particular real-time digital indication 34 from the real-time clock 36. The satellite clock indication t1 601 is implicitly contained in the modulation of the GPS signals 15 received from the GPS satellite 12 and can be read explicitly by decoding the transmitted navigation message contained in this signal.

Der 30-Bit-C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 876 gemäß Fig. 13 wird durch das Verzögerungsregister 842 erzeugt oder ist in diesem enthalten, und stellt einen Schätzwert für die C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservable τ dar.The 30-bit C/A code group delay estimate τest 876 of Figure 13 is generated by or contained in the delay register 842 and represents an estimate of the C/A code group delay observable τ.

Die Differenz zwischen der digitalen Echtzeitanzeige 34 und der Summe der Satellitenuhranzeige t&sub1; 601 und des 30-Bit- C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwertes τest 876 ist der Verzögerungsfehler, dessen Vorzeichen durch das Verzögerungsfehlersignal 200 angezeigt wird.The difference between the real-time digital indication 34 and the sum of the satellite clock indication t1 601 and the 30-bit C/A code group delay estimate τest 876 is the delay error, the sign of which is indicated by the delay error signal 200.

Wie wiederum aus Fig. 7 hervorgeht, werden das phasengleiche Videosignal 82 und das Quadratur-Videosignal 84 von dem Zeigerzählerrotator 220 in analoger Form von dem L1-Herunterwandler 76 empfangen und in eine ein-Bit-Digitalform umgewandelt, bei welcher der Wert jedes Bits das Vorzeichen des entsprechenden Videosignals angibt. Die beiden Bits, welche das phasengleiche Videosignal 82 bzw. das Quadratur-Videosignal 84 repräsentieren, zeigen daher zusammen genommen den Quadranten in der komplexen Ebene des Videozeigers 83 an.Referring again to Fig. 7, the in-phase video signal 82 and the quadrature video signal 84 from the pointer counter rotator 220 are received in analog form by the L1 downconverter 76 and converted to a one-bit digital form in which the value of each bit indicates the sign of the corresponding video signal. The two bits which constitute the in-phase video signal 82 and the quadrature video signal 84, respectively, therefore together indicate the quadrant in the complex plane of the video pointer 83.

Der 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 wird von dem Zeigerzählerrotator 220 von dem Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 in digitaler Form mit zwei Bit empfangen, welche den Quadranten des 308-fo-Trägerphasenschätzwertzeigers 193 angibt. Der Zeigerzählerrotator 220 erzeugt das phasengleiche, entwickelte Videosignal 222 und das Quadratur-entwickelte Videosignal 224 in Digitalform mit einem Bit, und zusammen genommen repräsentiert dies den Quadranten des entwickelten, komplexen Videozeigers 223 in der komplexen Ebene.The 308-fo carrier phase estimate Φest 192 is received by the phasor counter rotator 220 from the phase and group delay register subsystem 196 in two-bit digital form, which indicates the quadrant of the 308-fo carrier phase estimate phasor 193. The phasor counter rotator 220 produces the in-phase developed video signal 222 and the quadrature developed video signal 224 in one-bit digital form, and together this represents the quadrant of the developed complex video phasor 223 in the complex plane.

Falls der 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 anzeigt, daß Φ nahe an Null liegt, modulo 1 Zyklus, so liegt der 308- fo-Trägerphasenschätzwertzeiger 193 in dem vierten Quadranten, und das phasengleiche, entwickelte Videosignal 222 und das Quadratur-entwickelte Videosignal 224 sind gleich dem phasengleichen Videosignal 82 bzw. dem Quadratur-Videosignal 84, so daß daher der entwickelte, komplexe Videozeiger 223 in demselben Quadranten liegt wie der Videozeiger 83. Falls der 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 anzeigt, daß Φ nahe an 90º oder plus einem Viertelzyklus liegt, so liegt der entwickelte, komplexe Videozeiger 223 einen Quadranten weiter im Uhrzeigersinn als der Videozeiger 83. Falls der 308- fo-Trägerphasenschätzwert ist 192 anzeigt, daß Φ nahe an 180º liegt, dann wird eine Drehung um 180º durchgeführt, usw.If the 308 fo carrier phase estimate Φest 192 indicates that Φ is close to zero, modulo 1 cycle, then the 308 fo carrier phase estimate phasor 193 lies in the fourth quadrant, and the in-phase developed video signal 222 and the quadrature developed video signal 224 are equal to the in-phase video signal 82 and the quadrature video signal 84, respectively, and therefore the developed complex video phasor 223 lies in the same quadrant as the video phasor 83. If the 308 fo carrier phase estimate Φest 192 indicates that Φ is close to zero, modulo 1 cycle, then the 308 fo carrier phase estimate phasor 193 lies in the fourth quadrant, and the in-phase developed video signal 222 and the quadrature developed video signal 224 are equal to the in-phase video signal 82 and the quadrature video signal 84, respectively, and therefore the developed complex video phasor 223 lies in the same quadrant as the video phasor 83. is close to 90º or plus a quarter cycle, then the developed complex video pointer 223 is one quadrant more clockwise than the video pointer 83. If the 308-fo carrier phase estimate 192 indicates that Φ is close to 180º, then a 180º rotation is performed, and so on.

Das phasengleiche, entwickelte Videosignal 222 und das Quadratur-entwickelte Videosignal 224 können daher innerhalb des Zeigerzählerrotators 220 durch nicht dargestellte Logik-Gates gebildet werden, die entsprechend einer einfachen Wahrheitstabelle arbeiten, die mit mehr Einzelheiten in bezug auf Fig. 9 beschrieben wird.The in-phase developed video signal 222 and the quadrature developed video signal 224 may therefore be formed within the phasor counter rotator 220 by logic gates (not shown) operating according to a simple truth table which is described in more detail with respect to Fig. 9.

Innerhalb des Detektors 190 für die 308-fo-Trägerphase und den C/A-Code-Verzögerungsfehler werden das phasengleiche, entwickelte Videosignal 222 und das Quadratur-entwickelte Videosignal 224 als Eingangssignale an den Korrelator 226 angelegt, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Der Korrelator 226 empfängt darüber hinaus ein 8 fo-Bezugssignal 27 von dem Frequenzverdoppler 25, welcher das 8 fo-Bezugssignal 27 dadurch erzeugt, daß er das 4 fo-Bezugssignal 26 von dem Frequenzstandard 28 mit einem Faktor 2 multipliziert, und empfängt eine digitale Echtzeitanzeige 34 von der Echtzeituhr 36, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Weiterhin empfängt der Korrelator 226 ein 1-Bit- C/A-Code-Lokalmodell 228 von dem C/A-Code-Generator 230.Within the 308 fo carrier phase and C/A code delay error detector 190, the in-phase developed video signal 222 and the quadrature developed video signal 224 are applied as inputs to the correlator 226, as shown in Fig. 7. The correlator 226 also receives an 8 fo reference signal 27 from the frequency doubler 25, which produces the 8 fo reference signal 27 by multiplying the 4 fo reference signal 26 from the frequency standard 28 by a factor of 2, and receives a real-time digital display 34 from the real-time clock 36, as shown in Fig. 2. Furthermore, the correlator 226 receives a 1-bit C/A code local model 228 from the C/A code generator 230.

Der Korrelator 226 korreliert das phasengleiche, entwickelte Videosignal 222 und das Quadratur-entwickelte Videosignal 224 mit dem 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodell 228. Das 1-Bit-C/A-Code- Lokalmodell 228 ist eine Folge von Bit-Werten, welche den C/A-Code darstellen, der für den GPS-Satelliten 12 spezifisch ist. Diese Sequenz wird von dem C/A-Code-Generator 230 zu Zeitpunkten entsprechend der geschätzten Ankunftszeit der C/A- Sequenz von dem GPS-Satelliten ausgegeben, welchem der C/A- Code-Generator 230 durch die Satelliten-Zuordnung 41 von dem Echtzeitcomputer 40 zugeordnet wurde. Der Zeitpunkt der Erzeugung des 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodells 228 wird von der digitalen Echtzeitanzeige 34 bestimmt, die von der Echtzeituhr 36 zur Verfügung gestellt wird, durch das 8 fo-Bezugssignal 27 von dem Frequenzverdoppler 25, und durch den C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 194, der in Fig. 6 gezeigt ist.The correlator 226 correlates the in-phase developed video signal 222 and the quadrature developed video signal 224 with the 1-bit C/A code local model 228. The 1-bit C/A code local model 228 is a sequence of bit values representing the C/A code specific to the GPS satellite 12. This sequence is output by the C/A code generator 230 at times corresponding to the estimated time of arrival of the C/A sequence from the GPS satellite to which the C/A code generator 230 has been assigned by the satellite assignment 41 from the real-time computer 40. The timing of the generation of the 1-bit C/A code local model 228 is determined by the real-time digital display 34 provided by the real-time clock 36, by the 8 fo reference signal 27 from the frequency doubler 25, and by the C/A code group delay estimate τest 194 shown in Fig. 6.

Der C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 194 ist eine Mehrfachbit-Digitaldarstellung der geschätzten Verzögerung, modulo der Code-Periode von 1 Millisekunde, bei welcher das niedrigstwertige Bit 1/40stel eines Bits oder ein Stück der C/A-Code-Sequenz repräsentiert. Wie voranstehend erläutert ist der C/A-Code eine periodische Folge von 1023 gleichbreiten Stücken, die mit einer Periode von exakt 1 Millisekunde gesendet werden. Das niedrigstwertige Bit des C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwertes τest 194 entspricht daher einer Weglänge von etwa 7,5 Metern. Der RMS-Quantisierungsfehler des C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwertes τest 194 liegt daher in der Größenordnung von 7,5 Metern dividiert durch die Quadratwurzel von 12, oder bei etwa 2 Metern. Dieser 2-Meter- RMS-Quantisierungsfehler ist vernachlässigbar, verglichen mit den anderen Fehlern, welche den empfangenen C/A-Code beeinflussen, beispielsweise Mehrwegfehler.The C/A code group delay estimate τest 194 is a multi-bit digital representation of the estimated delay, modulo the code period of 1 millisecond, where the least significant bit represents 1/40th of a bit or piece of the C/A code sequence. As explained above the C/A code is a periodic sequence of 1023 equal-width pieces transmitted with a period of exactly 1 millisecond. The least significant bit of the C/A code group delay estimate τest 194 therefore corresponds to a path length of about 7.5 meters. The RMS quantization error of the C/A code group delay estimate τest 194 is therefore of the order of 7.5 meters divided by the square root of 12, or about 2 meters. This 2-meter RMS quantization error is negligible compared to the other errors affecting the received C/A code, such as multipath errors.

Das 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodell 228 korreliert konstruktiv nur mit der bestimmten Komponente des entwickelten, komplexen Videosignals U, welches von dem GPS-Satelliten 12 stammt. Der in jedem anderen Satelliten verwendete C/A-Code ist unkorreliert, also orthogonal zum Code des GPS-Satelliten 12. Infolge dieser Orthogonalität dient der Korrelator 226 dazu, die Signale von dem GPS-Satelliten 12 auszuwählen, und die Signale von anderen Satelliten zu unterdrücken.The 1-bit C/A code local model 228 correlates constructively only with the specific component of the developed complex video signal U that comes from the GPS satellite 12. The C/A code used in any other satellite is uncorrelated, i.e. orthogonal to the code of the GPS satellite 12. As a result of this orthogonality, the correlator 226 serves to select the signals from the GPS satellite 12 and to suppress the signals from other satellites.

Wie voranstehend in bezug auf die Struktur der GPS-Signale erwähnt stellt die sich auf den C/A-Code beziehende Modulation eine biphasige Modulation dar, welche die Phase einer Komponente des 308-fo-L1-Zentrumsfrequenzträgers umschaltet, der von dem GPS-Satelliten 12 gesendet wird, zwischen zwei um 1800 auseinanderliegenden Werten, entsprechend der Tatsache, ob das momentane Code-Bit gleich 1 bzw. 0 ist. Diese Phasenumkehrungen treten pseudostatistisch bei ganzzahligen Vielfachen der C/A-Code-Stückbreite, tm, auf. Daher scheint das entwickelte, komplexe Videosignal U bei dieser Rate bezüglich der Phase um 180º zu schwanken.As mentioned above with respect to the structure of the GPS signals, the modulation related to the C/A code is a biphasic modulation which switches the phase of a component of the 308 fo L1 center frequency carrier transmitted by the GPS satellite 12 between two values 180° apart, according to whether the current code bit is 1 or 0, respectively. These phase reversals occur pseudo-randomly at integer multiples of the C/A code bit width, tm. Therefore, the developed complex video signal U appears to fluctuate in phase by 180° at this rate.

Die Korrelation innerhalb des Korrelators 226 durch das 1-Bit- C/A-Code-Lokalmodell 228, wenn das 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodell 228 synchron zum empfangenen C/A-Code erzeugt wird, und zur Sequenz des C/A-Codes paßt, der für den GPS-Satelliten 12 spezifisch ist, hält diese Schwankung an, so daß die Phase über ein Zeitintervall relativ konstant bleibt, welches dazu ausreicht, eine kohärente Integration und Erfassung dieses Signals zuzulassen. Allerdings bleibt die Phase nicht über einen sehr langen Zeitraum konstant, da alle 20 Millisekunden die Phase durch die Telemetrie-Modulation umgedreht werden kann, welche die Navigationsnachricht sendet.The correlation within the correlator 226 by the 1-bit C/A code local model 228, when the 1-bit C/A code local model 228 is generated synchronously with the received C/A code and matches the sequence of the C/A code specific to the GPS satellite 12, maintains this variation so that the phase remains relatively constant over a time interval sufficient to allow coherent integration and detection of this signal. However, the phase does not remain constant over a very long period of time since every 20 milliseconds the phase may be reversed by the telemetry modulation transmitting the navigation message.

Der Korrelator 226 korreliert das phasengleiche, entwickelte Videosignal 222 und das Quadratur-entwickelte Videosignal 224 mit dem 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodell 228 für ein Zeitintervall, welches kleiner ist als 20 Millisekunden. Falls dieses Zeitintervall keine Telemetrie-Umkehrung enthält, bleibt die Phase relativ konstant, so daß der Korrelator 226 ein Phasenfehlersignal 198 erzeugen kann, welches die Differenz zwischen der Observablen Φ für die implizit enthaltene 308-fo-Trägerphase und dem 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 repräsentiert. Weiterhin legt der Korrelator 226 das Vorzeichen der Differenz zwischen der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ und dem C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 194 fest.The correlator 226 correlates the in-phase developed video signal 222 and the quadrature developed video signal 224 with the 1-bit C/A code local model 228 for a time interval that is less than 20 milliseconds. If this time interval does not include telemetry inversion, the phase remains relatively constant so that the correlator 226 can generate a phase error signal 198 representing the difference between the implicitly included 308 fo carrier phase observable φ and the 308 fo carrier phase estimate φest 192. The correlator 226 also sets the sign of the difference between the C/A code group delay observable τ and the 308 fo carrier phase estimate φest 192. and the C/A code group delay estimate τest 194.

Wie nachstehend mit mehr Einzelheiten unter Bezugnahme auf Fig. 10 erläutert ist, bestimmt der Korrelator 226 das Vorzeichen dieser Verzögerungsdifferenz durch Vergleich der Energien der Korrelationsprodukte aus zwei Korrelationen. Die erste derartige Korrelation ist die Korrelation des 1-Bit- C/A-Code-Lokalmodells 228 mit dem phasengleichen, entwickelten Videosignal 222 und dem Quadratur-entwickelten Videosignal 224 wie voranstehend erläutert. Die zweite derartige Korrelation ist die Korrelation des phasengleichen, entwickelten Videosignals 222 und des Quadratur-entwickelten Videosignals 224 mit einer weiter verzögerten Version des 1-Bit-C/A- Code-Lokalmodells 228, bei welchem die weitere Verzögerung gleich einer Stückbreite des C/A-Codes ist. Die sich aus jeder dieser beiden Korrelationen ergebenden Energien werden verglichen, um zu ermitteln, ob eine Korrelation mit dem Signal, welches den frühen Code repräsentiert, zu mehr oder weniger Energie führt als die Korrelation mit dem Signal, welches den späteren oder verzögerten Code repräsentiert. Das Verzögerungsfehlersignal 200 zeigt das Ergebnis dieses Vergleichs an, und wird an das Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 angelegt, in welchem diese Anzeige der Code-Verzögerung dazu verwendet wird, das in Fig. 13 gezeigte Verzögerungsregister vorzustellen oder zu verzögern, um eine fest eingestellte Verzögerungsbeziehung zwischen dem aktuellen Wert der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ und dem C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 194 aufrechtzuerhalten.As explained in more detail below with reference to Figure 10, the correlator 226 determines the sign of this delay difference by comparing the energies of the correlation products of two correlations. The first such correlation is the correlation of the 1-bit C/A code local model 228 with the in-phase developed video signal 222 and the quadrature developed video signal 224 as explained above. The second such Correlation is the correlation of the in-phase developed video signal 222 and the quadrature developed video signal 224 with a further delayed version of the 1-bit C/A code local model 228 where the further delay is equal to one slice width of the C/A code. The energies resulting from each of these two correlations are compared to determine whether correlation with the signal representing the early code results in more or less energy than correlation with the signal representing the later or delayed code. Delay error signal 200 indicates the result of this comparison and is applied to phase and group delay register subsystem 196 where this indication of code delay is used to advance or delay the delay register shown in Fig. 13 to establish a fixed delay relationship between the current value of the C/A code group delay observable τ and the current value of the C/A code group delay observable τ. and the C/A code group delay estimate τest 194.

Fig. 9Fig.9

In Fig. 9 wird nunmehr der Zeigerzählerrotator 220 mit mehr Einzelheiten beschrieben. Wie voranstehend unter Bezug auf Fig. 7 erwähnt, arbeitet der Zeigerzählerrotator 220 so, daß er den 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 von dem Winkel 81 R des komplexen Videozeigers 83 subtrahiert, um das entwickelte Videosignal 222 und das Quadratur-entwickelte Videosignal 224 zu erzeugen, welche zusammengenommen eine 2-Bit-Digitaldarstellung des Quadranten in der komplexen Ebene des entwickelten Videozeigers 223 bilden.Referring now to Fig. 9, the phasor counter rotator 220 is described in more detail. As mentioned above with reference to Fig. 7, the phasor counter rotator 220 operates to subtract the 308 fo carrier phase estimate φest 192 from the angle θ1 R of the complex video phasor 83 to produce the developed video signal 222 and the quadrature developed video signal 224, which together form a 2-bit digital representation of the quadrant in the complex plane of the developed video phasor 223.

Die Funktion, die von dem Zeigerzählerrotator 220 in dem 308- fo-Trägerphasen- und C/A-Code-Verzögerungsfehlerdetektor 190 durchgeführt wird, wird ebenfalls woanders in dem System gemäß der vorliegenden Erfindung benötigt. Entsprechende Funktionen werden innerhalb jedes Satelliten-Verfolgungskanals 32 durch den Zeigerzählerrotator 240 in dem L1-fo-Trägerphasendetektor 206 durchgeführt, der in Fig. 12 gezeigt ist, und durch einen entsprechenden Zeigerzählerrotator, der nicht gezeigt ist, in dem L2-fo-Trägerphasendetektor 208. Der Betrieb des Zeigerzählerrotators 220 wird im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben, und die Betriebsabläufe der Zeigerzählerrotatoren in dem L1-fo-Trägerphasendetektor 206 und in dem L2-fo-Trägerphasendetektor 208 lassen sich hieraus verstehen.The function performed by the pointer counter rotator 220 in the 308 fo carrier phase and C/A code delay error detector 190 is also required elsewhere in the system according to the present invention. Corresponding functions are performed within each satellite tracking channel 32 by the phasor counter rotator 240 in the L1-fo carrier phase detector 206 shown in Fig. 12 and by a corresponding phasor counter rotator, not shown, in the L2-fo carrier phase detector 208. The operation of the phasor counter rotator 220 will be described in detail with reference to Fig. 9 and the operations of the phasor counter rotators in the L1-fo carrier phase detector 206 and in the L2-fo carrier phase detector 208 can be understood therefrom.

Wie in Fig. 9A gezeigt ist, werden das phasengleiche Videosignal 82 und das Quadratur-Videosignal 84 am Eingang des Zeigerzählerrotators 220 an ein Paar identischer 1-Bit-Analog/Digital- Wandler 802 bzw. 804 angelegt, welche als Clipper arbeiten, um einen 1-Bit-phasengleichen Videovorzeichenindikator 806 bzw. einen 1-Bit-Quadratur-Videovorzeichenindikator 808 zu erzeugen. Der 1-Bit-phasengleiche Videovorzeichenindikator 806 ist ein logisches oder binäres Digitalsignal, in welchem der wahre oder Zustand "1" repräsentiert, daß das Vorzeichen des phasengleichen Videosignals 82 positiv war, und ein unwahrer oder Zustand "0" repräsentiert, daß dessen Vorzeichen negativ war. Die gleiche Beziehung gilt zwischen den Zuständen des 1-Bit-Quadratur-Videovorzeichenindikators 808 und des Quadratur-Videosignals 84.As shown in Figure 9A, the in-phase video signal 82 and the quadrature video signal 84 at the input of the pointer counter rotator 220 are applied to a pair of identical 1-bit analog-to-digital converters 802 and 804, respectively, which operate as clippers to produce a 1-bit in-phase video sign indicator 806 and a 1-bit quadrature video sign indicator 808, respectively. The 1-bit in-phase video sign indicator 806 is a logical or binary digital signal in which a true or "1" state represents that the sign of the in-phase video signal 82 was positive, and a false or "0" state represents that its sign was negative. The same relationship applies between the states of the 1-bit quadrature video sign indicator 808 and the quadrature video signal 84.

Der 1-Bit-phasengleiche Videovorzeichenindikator 806 und der 1-Bit-Quadratur-Vorzeichenindikator 808 bilden zusammen eine 2-Bit-Digitaldarstellung des Quadranten des Videozeigers 83, wie man aus den ersten drei Spalten der Tabelle in Fig. 9B erkennen kann. Insbesondere sieht man aus einem Vergleich zwischen den Fig. 8A und 9B, daß dann, wenn sich der Videozeiger 83 in dem ersten Quadranten befindet, die Vorzeichen des phasengleichen Videosignals 82 und des Quadratur- Videosignals 84 positiv sind, so daß die Digitalzustände des 1-Bit-phasengleichen Videovorzeichenindikators 806 und des 1-Bit-Quadratur-Videovorzeichenindikators 808 wahr oder 1 sein müssen. Entsprechend, wenn sich der Videozeiger 83 in dem zweiten Quadranten befindet, sind der 1-Bit-phasengleiche Videovorzeichenindikator 806 und der 1-Bit-Quadratur-Videovorzeichenindikator 808 gleich 0 bzw. 1. Im dritten Quadranten sind sie beide gleich 0, und im vierten Quadranten sind sie gleich 1 bzw. 0.The 1-bit in-phase video sign indicator 806 and the 1-bit quadrature sign indicator 808 together form a 2-bit digital representation of the quadrant of the video pointer 83, as can be seen from the first three columns of the table in Fig. 9B. In particular, it can be seen from a comparison between Figs. 8A and 9B that when the Video pointer 83 is in the first quadrant, the signs of in-phase video signal 82 and quadrature video signal 84 are positive, so that the digital states of 1-bit in-phase video sign indicator 806 and 1-bit quadrature video sign indicator 808 must be true or 1. Similarly, when video pointer 83 is in the second quadrant, 1-bit in-phase video sign indicator 806 and 1-bit quadrature video sign indicator 808 are 0 and 1, respectively. In the third quadrant, they are both 0, and in the fourth quadrant, they are 1 and 0, respectively.

Diese 2-Bit-Digitaldarstellung des Phasenwinkels des Videozeigers 83 ist modulo ein Zyklus, so daß daher die ganzzahlige Anzahl an Zyklen in dieser Darstellung ignoriert wird. Beispielsweise kann ein momentaner Phasenwinkel zwischen einem Zyklus 0 und einem Zyklus 1 nicht von einem Phasenwinkel zwischen 2 und 3 Zyklen unterschieden werden.This 2-bit digital representation of the phase angle of the video pointer 83 is modulo one cycle, so therefore the integer number of cycles is ignored in this representation. For example, an instantaneous phase angle between a cycle 0 and a cycle 1 cannot be distinguished from a phase angle between 2 and 3 cycles.

Wie nunmehr wiederum aus Fig. 9A hervorgeht, wird der 308- fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 von dem Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 als ein Eingangswert an den Zeigerzählerrotator 220 am Eingang zur Logikschaltung 810 angelegt. Im einzelnen enthält, wie nachstehend noch genauer aus Fig. 13 hervorgeht, das Phasenregister 840 einen Multibit-308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 856, von welchem nur zwei Bits in dem 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 enthalten sind. Das erste Bit rechts von dem binären Punkt des 308-fo-Trägerphasenschätzwerts Φest 856 ist das Halbzyklus-Bit R&sub1; 812, welches anzeigt, ob der 308- fo-Trägerphasenschätzwertzeiger 193 in den ersten zwei oder den zweiten zwei Quadranten der komplexen Ebene liegt. Das zweite Bit rechts von dem Binärpunkt ist das Viertelzyklus- Bit R&sub2; 814, welches anzeigt, ob die Nummer des Quadranten des 308-fo-Trägerphasenschätzwertzeigers 193 ungerade oder gerade ist.Referring again to FIG. 9A, the 308 fo carrier phase estimate φest 192 from the phase and group delay register subsystem 196 is applied as an input to the phasor counter rotator 220 at the input to the logic circuit 810. More particularly, as will be seen in greater detail below in FIG. 13, the phase register 840 contains a multi-bit 308 fo carrier phase estimate φest 856, only two bits of which are included in the 308 fo carrier phase estimate φest 192. The first bit to the right of the binary point of the 308 fo carrier phase estimate φest 856 is the half-cycle bit R1. 812, which indicates whether the 308-fo carrier phase estimate pointer 193 lies in the first two or the second two quadrants of the complex plane. The second bit to the right of the binary point is the quarter cycle bit R₂ 814, which indicates whether the number of the quadrant of the 308-fo carrier phase estimate pointer 193 is odd or even.

Der 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 läßt sich unter Bezugnahme auf die beiden am weitesten rechts angeordneten Spalten in der Tabelle in Fig. 9B verstehen. Befindet sich der 308-fo-Trägerphasenschätzwertzeiger 193 in dem ersten Quadranten, so sind das Halbzyklus-Bit R&sub1; 812 und das Viertelzyklus-Bit R&sub2; 814 beide gleich 0, was anzeigt, daß der Zeiger weder einen Halb- noch einen Viertelzyklus der Phase aufweist. Befindet sich der 308-fo-Trägerphasenschätzwertzeiger 193 in dem zweiten Quadranten, so sind das Halbzyklus- Bit R&sub1; 812 bzw. das Viertelzyklus-Bit R&sub2; 814 gleich 0 bzw. 1. Entsprechend wird der dritte Quadrant angezeigt, wenn das Halbzyklus-Bit R&sub1; 812 und das Viertelzyklus-Bit R&sub2; 814 gleich 1 und 0 sind, und wird der vierte Quadrant angezeigt, wenn sie beide gleich 1 sind. Der Unterschied zwischen dieser Binärform der Quadrantenanzeige und der auf dem Vorzeichen basierenden Anzeige, die von dem 1-Bit-phasengleichen Videovorzeichenindikator 806 und dem 1-Bit-Quadratur-Videovorzeichenindikator 808 zur Verfügung gestellt wird, läßt sich unter Bezugnahme auf die Tabelle in Fig. 9B erkennen.The 308 fo carrier phase estimate φest 192 can be understood by referring to the two rightmost columns in the table in Fig. 9B. When the 308 fo carrier phase estimate pointer 193 is in the first quadrant, the half-cycle bit R1 812 and the quarter-cycle bit R2 814 are both equal to 0, indicating that the pointer has neither a half-cycle nor a quarter-cycle of phase. When the 308 fo carrier phase estimate pointer 193 is in the second quadrant, the half-cycle bit R1 812 and the quarter-cycle bit R2 814 are both equal to 0, respectively. 814 are equal to 0 and 1, respectively. Similarly, the third quadrant is displayed when the half-cycle bit R1 812 and the quarter-cycle bit R2 814 are equal to 1 and 0, and the fourth quadrant is displayed when they are both equal to 1. The difference between this binary form of quadrant display and the sign-based display provided by the 1-bit in-phase video sign indicator 806 and the 1-bit quadrature video sign indicator 808 can be seen by referring to the table in Fig. 9B.

Wie nunmehr wieder aus Fig. 9A hervorgeht, bearbeitet die Logikschaltung 810 das komplexe Videosignal V, welches durch den 1-Bit-phasengleichen Videovorzeichenindikator 806 und den 1 -Bit-Quadratur-Videoquadrantenindikator 808 repräsentiert wird, um hiervon den 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 zu subtrahieren, um das entwickelte, komplexe Videosignal U zu erzeugen, welches durch das phasengleiche, entwickelte Videosignal 222 und das Quadratur-entwickelte Videosignal 224 repräsentiert wird. Bei dieser Operation werden Phasenwinkel nur anhand von Quadranten beschrieben. Diese Beschreibung ist in der Hinsicht relativ grob, daß sie nur innerhalb von plus oder minus einem Achtelzyklus exakt ist. Das phasengleiche entwickelte Videosignal 222 und das Quadratur-entwickelte Videosignal 224 stellen eine 2-Bit-Digitaldarstellung des Quadranten des entwickelten, komplexen Videozeigers 223 zur Verfügung.Referring now again to Fig. 9A, logic circuit 810 processes the complex video signal V represented by the 1-bit in-phase video sign indicator 806 and the 1-bit quadrature video quadrant indicator 808 to subtract therefrom the 308-fo carrier phase estimate φest 192 to produce the developed complex video signal U represented by the in-phase developed video signal 222 and the quadrature developed video signal 224. In this operation, phase angles are described only in terms of quadrants. This description is relatively crude in that it can only be used within plus or minus one-eighth cycle. The in-phase developed video signal 222 and the quadrature developed video signal 224 provide a 2-bit digital representation of the quadrant of the developed complex video pointer 223.

In der Wahrheitstabelle in Fig. 9C ist die gewünschte Funktionsbeziehung zwischen dem phasengleichen, entwickelten Videosignal 222, welches von der Logikschaltung 810 ausgegeben wird, und den vier Eingangssignalen dargestellt, nämlich dem phasengleichen Videovorzeichenindikator 806, dem Quadratur-Videovorzeichenindikator 808, dem Halbzyklus-Bit R&sub1; 812 und dem Viertelzyklus-Bit R&sub2; 814. Entsprechend ist in der in Fig. 9D gezeigten Wahrheitstabelle die erforderliche Funktionsbeziehung zwischen dem Quadratur-entwickelten Videosignal 224, welches von der Logikschaltung 810 ausgegeben wird, und diesen Eingangssignalen dargestellt. Durch diese Beziehungen, die klar entsprechend diesen Wahrheitstabellen definiert sind, ist es sinnvoll, die Logikschaltung 810 in Form von Logik-Gates oder einem Nur-Lese-Speicher, nicht gezeigt, zur Verfügung zu stellen.The truth table in Fig. 9C shows the desired functional relationship between the in-phase developed video signal 222 output from the logic circuit 810 and the four input signals, namely, the in-phase video sign indicator 806, the quadrature video sign indicator 808, the half-cycle bit R1 812 and the quarter-cycle bit R2 814. Similarly, the truth table shown in Fig. 9D shows the required functional relationship between the quadrature developed video signal 224 output from the logic circuit 810 and these input signals. With these relationships clearly defined according to these truth tables, it is reasonable to provide the logic circuit 810 in the form of logic gates or a read-only memory, not shown.

Fig. 10Fig.10

Unter nunmehriger Bezugnahme auf Fig. 10 ist der Betrieb des Korrelators 226 innerhalb des in Fig. 7 gezeigten 308-fo- Trägerphasen- und C/A-Code-Verzögerungsfehlerdetektors 190 mit mehr Einzelheiten gezeigt. Das phasengleiche, entwickelte Videosignal 222 von dem Zeigerzählerrotator 220 wird als ein Eingangssignal an Mischer 300, 302 und 304 angelegt. Das Quadratur-entwickelte Videosignal 224 von dem Zeigerzählerrotator 220 in Fig. 7 wird als Eingangssignal an den Mischer 306, den Mischer 308 und den Mischer 310 angelegt. Die zweiten Eingangssignale für die Mischer 300, 302, 304, 306, 308 und 310 werden durch das 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodell 228 und dessen um ein halbes Stück bzw. ein Stück verzögerte Versionen, 314 bzw. 318, zur Verfügung gestellt. Das phasengleiche, entwickelte Videosignal 222, das Quadratur-entwickelte Videosignal 224 und die 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodelle 228, 314 und 318 stellen sämtlich digitale oder Logiksignale mit einem Bit dar. Daher sind die Mischer 300, 302, 304, 306, 308 und 310 exklusive NOR-Logik-Gates; äquivalent hierzu können diese Mischer als Binär-Addierer modulo 2 angesehen werden oder als Paritätsdetektoren.Referring now to FIG. 10, the operation of the correlator 226 within the 308-fo carrier phase and C/A code delay error detector 190 shown in FIG. 7 is shown in more detail. The in-phase developed video signal 222 from the phasor counter rotator 220 is applied as one input to mixers 300, 302 and 304. The quadrature developed video signal 224 from the phasor counter rotator 220 in FIG. 7 is applied as an input to mixer 306, mixer 308 and mixer 310. The second inputs to mixers 300, 302, 304, 306, 308 and 310 are provided by the 1-bit C/A code local model 228 and its half-delayed and one-delayed versions, 314 and 318, respectively. The in-phase developed video signal 222, the quadrature developed video signal 224, and the 1-bit C/A code local models 228, 314, and 318 all represent one-bit digital or logic signals. Therefore, the mixers 300, 302, 304, 306, 308, and 310 are exclusive NOR logic gates; equivalently, these mixers can be viewed as binary adders modulo 2 or as parity detectors.

Das 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodell 228 wird als ein Eingangswert an die Halbstück-Verzögerungsschaltung 312 angelegt, welche ein um ein halbes Stück verzögertes C/A-Code-Lokalmodell 314 erzeugt. Das um ein halbes Stück verzögerte C/A-Code-Lokalmodell 314 wird dann als ein Eingangswert an die Halbstück- Verzögerungsschaltung 316 angelegt, welche das um ein Stück verzögerte C/A-Code-Lokalmodell 318 dadurch erzeugt, daß das um ein halbes Stück verzögerte C/A-Code-Lokalmodell 314 um ein zusätzliches halbes Stück verzögert wird. Die Halbstück- Verzögerungsschaltung 312 und die Halbstück-Verzögerungsschaltung 316 arbeiten auf identische Weise, und jede legt eine Verzögerung gleich exakt einer Hälfte der Breite, tm, eines C/A-Code-Stücks oder -Bits an.The 1-bit C/A code local model 228 is applied as an input to the half-bit delay circuit 312, which produces a half-bit delayed C/A code local model 314. The half-bit delayed C/A code local model 314 is then applied as an input to the half-bit delay circuit 316, which produces the one-bit delayed C/A code local model 318 by delaying the half-bit delayed C/A code local model 314 by an additional half-bit. The half-piece delay circuit 312 and the half-piece delay circuit 316 operate in an identical manner, and each applies a delay equal to exactly one-half the width, tm, of a C/A code piece or bit.

Die Stückrate des C/A-Codes in dem GPS-System beträgt 1023 Stücke pro Millisekunde oder 1023 Millionen Stücke pro Sekunde oder 1023 Megahertz oder fo / 5. Jedes Stück ist daher gleich 5 Oszillationszyklen der Bezugsfrequenz fo oder gleich 20 Zyklen der 4 fo-Bezugsfrequenz 26 von dem in Fig. 2 gezeigten Frequenzstandard 28, oder gleich 40 Zyklen des 8 fo-Bezugssignals 27. 8 fo ist die "Takt"-Rate, mit welcher das 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodell 228 von dem C/A-Code- Generator 230 erzeugt wird, wie nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 11 erläutert wird. Der Korrelator 226 empfängt das 8 fo-Bezugssignal 27 von dem in Fig. 7 gezeigten Frequenzverdoppler 25 und die digitale Echtzeitanzeige 34 von der in Fig. 2 gezeigten Echtzeituhr 36.The piece rate of the C/A code in the GPS system is 1023 pieces per millisecond or 1023 million pieces per second or 1023 megahertz or fo / 5. Each piece is therefore equal to 5 oscillation cycles of the reference frequency fo or equal to 20 cycles of the 4 fo reference frequency 26 from the frequency standard 28 shown in Fig. 2, or equal to 40 cycles of the 8 fo reference signal 27. 8 fo is the "clock" rate at which the 1-bit C/A code local model 228 is generated by the C/A code generator 230, as described below with reference to on Fig. 11. The correlator 226 receives the 8 fo reference signal 27 from the frequency doubler 25 shown in Fig. 7 and the real-time digital display 34 from the real-time clock 36 shown in Fig. 2.

Die Halbstück-Verzögerungsschaltungen 312 und 316 können daher jeweils durch ein 20-Bit-Schieberegister gebildet werden, welches durch die 8 fo-Bezugsfrequenz 27 von dem in Fig. 7 gezeigten Frequenzverdoppler 25 getaktet wird. Die 8 fo-Bezugsfrequenz 27 dient weiterhin zum Takten des 0,01- Sekunden-Integrators 324 wie nachstehend erläutert. Das um ein halbes Stück verzögerte C/A-Code-Lokalmodell 314, welches eine um ein halbes Stück verzögerte Version des 1-Bit-C/A- Code-Lokalmodells 228 darstellt, wird als ein Eingangssignal an die Mischer 302 und 308 am Eingang des zeitgleichen Signaldetektors 350 und ebenso als Eingangsgröße der um ein halbes Stück verzögerten Schaltung 316 angelegt. Das um ein Stück verzögerte C/A-Code-Lokalmodell 318, welches von der Halbstück-Verzögerungsschaltung 316 erzeugt wird, welche eine um ein volles Stück verzögerte Version des 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodells 228 darstellt, wird als Eingangswert an die Mischer 300 und 306 am Eingang des Verspätungsdetektors 358 angelegt. Das 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodell 228 wird direkt, also ohne irgendwelche Verzögerung, an die Mischer 304 und 310 am Eingang des Detektors 352 für ein voreilendes Signal angelegt.The half-delay circuits 312 and 316 may therefore each be formed by a 20-bit shift register clocked by the 8 fo reference frequency 27 from the frequency doubler 25 shown in Figure 7. The 8 fo reference frequency 27 also serves to clock the 0.01 second integrator 324 as explained below. The half-delayed C/A code local model 314, which is a half-delayed version of the 1-bit C/A code local model 228, is applied as an input to the mixers 302 and 308 at the input of the concurrent signal detector 350 and also as an input to the half-delayed circuit 316. The one-bit delayed C/A code local model 318 produced by the half-bit delay circuit 316, which is a one-bit delayed version of the 1-bit C/A code local model 228, is applied as an input to the mixers 300 and 306 at the input of the delay detector 358. The 1-bit C/A code local model 228 is applied directly, without any delay, to the mixers 304 and 310 at the input of the leading signal detector 352.

Zuerst wird der Betrieb des Detektors 350 für das zeitgleiche Signal diskutiert. Der Betrieb des Detektors 352 für das frühzeitige Signal und des Detektors 358 für das verspätete Signal entspricht dem Betrieb des Detektors 350 für das zeitgleiche Signal und läßt sich daraufhin leichter verstehen.The operation of the contemporaneous signal detector 350 will be discussed first. The operation of the early signal detector 352 and the late signal detector 358 is similar to the operation of the contemporaneous signal detector 350 and can then be more easily understood.

Innerhalb des Detektors 350 für das zeitgleiche Signal erzeugt der Mischer 302 ein Ausgangssignal 322, welches wie voranstehend erwähnt die exklusive NOR-Funktion des phasengleichen, entwickelten Videosignals 222 und des ein Halbstückverzögerten C/A-Code-Lokalmodells 314 ist. Das Ausgangssignal 322 wird als Eingangswert an den 0,01-Sekunden-Integrator 324 angelegt, wo es integriert wird, um den Ausgangswert 330 zu erzeugen.Within the simultaneous signal detector 350, the mixer 302 generates an output signal 322 which is mentioned above is the exclusive NOR function of the in-phase developed video signal 222 and the one-half delayed C/A code local model 314. The output signal 322 is applied as an input to the 0.01 second integrator 324 where it is integrated to produce the output value 330.

Da das Ausgangssignal 322 ein 1-Bit-Digitalsignal ist, läßt sich der 0,01-Sekunden-Integrator 324 am einfachsten durch einen getakteten Zähler realisieren, der in Reaktion auf die digitale Echtzeitanzeige 34 von der in Fig. 2 gezeigten Echtzeituhr 36 betrieben wird, um die Integration bei jedem ganzzahligen Vielfachen von 0,01 Sekunden zu starten, anzuhalten und erneut zu starten, entsprechend der Anzeige der Echtzeituhr 36. Um mit der Integration zu beginnen muß beim Auftreten der digitalen Echtzeitanzeige 34 gleich einem ganzzahligen Vielfachen von 0,01 Sekunden der Integrator 324 zurückgesetzt werden. Dann wird für jeden Zyklus des 8 fo-Bezugssignals 27 der Zählwert, welcher den integrierten Wert repräsentiert, inkrementiert oder nicht, abhängig davon, ob das Ausgangssignal 322 gleich 1 bzw. 0 ist. Am Ende der Integrationsperiode von 0,01 Sekunden wird der Wert, der in dem 0,01-Sekunden- Integrator 324 enthalten ist, ausgelesen, um das Ausgangssignal 330 zu erhalten, und dann wird der 0,01-Sekunden-Integrator 324 zurückgesetzt, um mit der nächsten Integration zu beginnen.Since the output signal 322 is a 1-bit digital signal, the 0.01 second integrator 324 is most easily implemented by a clocked counter operated in response to the real-time digital display 34 from the real-time clock 36 shown in Fig. 2 to start, stop and restart integration at every integer multiple of 0.01 seconds as indicated by the real-time clock 36. To begin integration, the integrator 324 must be reset upon the occurrence of the real-time digital display 34 equal to an integer multiple of 0.01 seconds. Then, for each cycle of the 8 fo reference signal 27, the count value representing the integrated value is incremented or not depending on whether the output signal 322 is equal to 1 or 0. At the end of the integration period of 0.01 seconds, the value contained in the 0.01 second integrator 324 is read to obtain the output signal 330, and then the 0.01 second integrator 324 is reset to begin the next integration.

Wenn auf diese Weise der 0,01-Sekunden-Integrator 324 aus einem getakteten Zähler gebildet wird, ist sein Ausgangssignal 330 um die Hälfte der Anzahl der Zyklen der 8 fo-Bezugsfrequenz 27 versetzt, die in einem Integrationsintervall von 0,01 Sekunden enthalten sind, oder um das 4 fo-fache von 0,01 Sekunden, oder um 204.600 Zählwerte. Diese Versetzung wird sinnvollerweise bei den Anordnungen des 2-Quadranten- Invers-Tangens-Funktionsgenerators 334 und des Quadrierers 338 berücksichtigt, welche das Ausgangssignal 330 von dem 0,01 -Sekunden-Integrators 324 annehmen.When the 0.01 second integrator 324 is thus formed from a clocked counter, its output signal 330 is offset by half the number of cycles of the 8 fo reference frequency 27 contained in an integration interval of 0.01 seconds, or by 4 fo times 0.01 seconds, or by 204,600 counts. This offset is usefully used in the arrangements of the 2-quadrant Inverse tangent function generator 334 and squarer 338, which accept the output signal 330 from the 0.01 second integrator 324.

Entsprechend erzeugt der Mischer 308 ein Ausgangssignal 326, welches von dem Integrator 328 über 0,01 Sekunden integriert wird, beginnend und endend bei ganzzahligen 1/100-stel einer Sekunde, unter der Steuerung der Echtzeituhr 36, um das Ausgangssignal 332 zu erzeugen. Am Ende der Integrationsperiode von 0,01 Sekunden werden das Ausgangssignal 330 von dem 0,01- Sekunden-Integrator 324 und das Ausgangssignal 332 von dem Integrator 328 als Eingangssignale an den Generator 334 für die 2-Quadranten-Invers-Tangens-Funktion angelegt. Der Generator 334 für die 2-Quadranten-Invers-Tanges-Funktion, welcher als Nur-Lese-Speicher (ROM) ausgebildet sein kann, erzeugt ein Phasenfehlersignal 197 gleich dem Winkel in dem Bereich minus einem Viertelzyklus bis plus einem Viertelzyklus, dessen Tangens gleich Q/I ist, wobei Q das Ausgangssignal 332 repräsentiert und I das Ausgangssignal 330. Es wird darauf hingewiesen, daß das Phasenfehlersignal 197 von dem Generator 334 für die 2-Quadranten-Invers-Tangens-Funktion nicht durch Telemetriephasenumkehrungen in den GPS-Signalen 15 beeinflußt wird, da derartige Umkehrungen so wirken, daß sie die Vorzeichen sowohl von I als auch von Q ändern, unter der Voraussetzung, daß keine Umkehrung während des besonderen 0,01-Sekunden-Intervalls auftreten, für welches I-und Q erzeugt wurden. Das Phasenfehlersignal 197 von dem Generator 334 für die 2-Quadranten-Invers-Tangens-Funktion gibt daher den Winkel modulo 0,5 Zyklen des Durchschnittswerts während der Integrationsperiode von 0,01 Sekunden der komplexen Zahl an, dessen Realteil das Ausgangssignal 322 ist, und dessen Imaginärteil das Ausgangssignal 326 ist. Wie voranstehend erläutert bleibt der Winkel dieser komplexen Zahl relativ konstant während der Integrationsperiode, abgesehen von den Telemetriephasenumkehrungen, die bei ganzzahligen Vielfachen von 0,02 Sekunden auftreten.Accordingly, mixer 308 produces an output signal 326 which is integrated by integrator 328 over 0.01 seconds, beginning and ending at integer 1/100ths of a second, under the control of real time clock 36, to produce output signal 332. At the end of the 0.01 second integration period, output signal 330 from 0.01 second integrator 324 and output signal 332 from integrator 328 are applied as inputs to 2-quadrant inverse tangent function generator 334. The 2-quadrant inverse tangent function generator 334, which may be in read-only memory (ROM), produces a phase error signal 197 equal to the angle in the range minus one-quarter cycle to plus one-quarter cycle whose tangent is equal to Q/I, where Q represents the output signal 332 and I represents the output signal 330. It should be noted that the phase error signal 197 from the 2-quadrant inverse tangent function generator 334 is not affected by telemetry phase reversals in the GPS signals 15 since such reversals act to change the signs of both I and Q, provided that no reversal occurs during the particular 0.01 second interval for which I and Q were generated. The phase error signal 197 from the 2-quadrant inverse tangent generator 334 therefore indicates the angle modulo 0.5 cycles of the average value during the 0.01 second integration period of the complex number whose real part is the output signal 322 and whose imaginary part is the output signal 326. As explained above, the angle of this complex number remains relatively constant during the integration period, except for the Telemetry phase reversals that occur at integer multiples of 0.02 seconds.

Es ist wesentlich, daß das Integrationsintervall, nämlich 0,01 Sekunden, ein ganzzahliges Vielfaches von Millisekunden beträgt, und auch, daß es exakt die Hälfte des Intervalls zwischen möglichen Telemetriemodulationsphasenumkehrungen beträgt. Die Integration sollte deswegen über ein ganzzahliges Vielfaches von Millisekunden durchgeführt werden, da eine Millisekunde die Periode der C/A-Code-Funktion ist. Wie voranstehend erläutert sind die Satelliten-spezifischen C/A-Codes zueinander orthogonal, so daß die Kreuzkorrelation der C/A- Code-Komponenten der Signale eines Satelliten mit dem C/A- Code eines anderen Satelliten im Ergebnis Null ergibt. Dieses gewünschte Fehlen einer Kreuzkorrelation ist allerdings nicht exakt erhältlich, es sei denn, die Integration erstreckt sich über ein ganzzahliges Vielfaches der Code-Perioden. Im vorliegenden Fall beträgt die ganzzahlige Zahl 10.It is essential that the integration interval, namely 0.01 seconds, be an integer multiple of milliseconds, and also that it be exactly half the interval between possible telemetry modulation phase reversals. The integration should therefore be carried out over an integer multiple of milliseconds, since a millisecond is the period of the C/A code function. As explained above, the satellite-specific C/A codes are orthogonal to each other, so that the cross-correlation of the C/A code components of the signals of one satellite with the C/A code of another satellite results in zero. However, this desired lack of cross-correlation cannot be achieved exactly unless the integration extends over an integer multiple of the code periods. In the present case, the integer number is 10.

Die Tatsache, daß die Integrationsperiode exakt die Hälfte des Telemetriephasenumkehrungsintervalls beträgt, garantiert, daß in sämtlichen geradzahligen Integrationsintervallen, oder in sämtlichen ungeradzahligen Integrationsperioden, über einen langen Zeitraum keine Phasenumkehrungen auftreten.The fact that the integration period is exactly half the telemetry phase reversal interval guarantees that no phase reversals occur in any even-numbered integration intervals, or in any odd-numbered integration periods, over a long period of time.

Der Winkel der komplexen Signalkomponente von dem GPS-Satelliten 12 am Eingang zu den Integratoren 324 und 328 bleibt konstant während der Integrationsperiode, und daher sammelt sich dieses Signal kohärent innerhalb der Integratoren 324 und 328 über sämtliche ungeradzahligen oder geradzahligen Intervalle an, die keine Phasenumkehrungen enthalten. Die Phasenumkehrungen, die während der Hälfte der anderen Integrationsintervalle auftreten, geradzahlig bzw. ungeradzahlig, verringern den akkumulierten Durchschnittswert für diese Intervalle. Durch Vergleich des Mittelwerts der Signalenergie, der während geradzahliger Integrationsintervalle angesammelt wird, mit dem Mittelwert der Signalenergie, der während ungeradzahliger Integrationsperioden angesammelt wird, ist es möglich, die Phase der 20-Millisekunden-Telemetrieumkehrungen in bezug auf die Phase des 20-Millisekunden-Periodensignals zu ermitteln, welches durch den Anfang und das Ende der geradzahligen oder der ungeradzahligen Integrationsperioden definiert wird. Sinnvollerweise werden diese Mittelwerte innerhalb des Computers 40 berechnet und verglichen, welchem wie nachstehend erläutert die Anzeige 348 für die gleichzeitige Signalenergie für jedes Integrationsintervall zugeführt wird.The angle of the complex signal component from the GPS satellite 12 at the input to the integrators 324 and 328 remains constant during the integration period, and therefore this signal accumulates coherently within the integrators 324 and 328 over all odd or even intervals that do not contain phase reversals. The phase reversals that occur during half of the other integration intervals, even or odd, respectively, reduce the accumulated average value for these intervals. By comparing the average of the signal energy accumulated during even integration intervals with the average of the signal energy accumulated during odd integration periods, it is possible to determine the phase of the 20 millisecond telemetry reversals with respect to the phase of the 20 millisecond period signal defined by the beginning and end of the even or odd integration periods. Conveniently, these averages are calculated and compared within the computer 40, which is fed with the simultaneous signal energy display 348 for each integration interval, as explained below.

Der Vorzeichenindikator 199 ermittelt das Vorzeichen des Ausgangssignals 330 des 0,01-Sekunden-Integrators 324, und erzeugt das Vorzeichenbit 201, welches anzeigt, ob das Ausgangssignal 330 positiv oder negativ war. Das Vorzeichenbit 201 wird dem Computer 40 zugeführt. Die Folge der Werte des Vorzeichenbits 201 von den geradzahligen oder ungeradzahligen Integrationsintervallen von 0,01 Sekunden, bei denen festgestellt wird, daß sie keine Telemetriephasenumkehrungen enthalten, wird dann von dem Computer 40 als die Telemetrienachricht interpretiert. Damit diese Interpretation möglich wird, muß eine Phasenverriegelung erzielt worden sein. Wurde eine Phasenverriegelung erzielt, dann erscheint praktisch sämtliche zeitgleiche Signalenergie im Ausgangssignal 330 und keine im Ausgangssignal 332.The sign indicator 199 determines the sign of the output signal 330 of the 0.01 second integrator 324 and generates the sign bit 201 which indicates whether the output signal 330 was positive or negative. The sign bit 201 is provided to the computer 40. The sequence of the sign bit 201 values from the even or odd 0.01 second integration intervals which are found not to contain any telemetry phase reversals are then interpreted by the computer 40 as the telemetry message. For this interpretation to be possible, phase locking must have been achieved. If phase locking has been achieved, then substantially all of the simultaneous signal energy appears in the output signal 330 and none appears in the output signal 332.

Das Ausgangssignal 330 von dem Integrator 324 für 0,01 Sekunden wird am Ende jeder Integrationsperiode von 0,01 Sekunden als Eingangssignal an den Quadrierer 338 angelegt, welcher ein Ausgangssignal 342 erzeugt, das das Quadrat des Ausgangssignals 330 darstellt. Das Ausgangssignal 332 des Integrators 328 wird am Ende jeder Integrationsperiode von 0,01 Sekunden an den Quadrierer 340 angelegt, welcher das Ausgangssignal 344 erzeugt, welches gleich dem Quadrat des Ausgangssignals 332 ist. Die Ausgangssignale 342 und 344 werden als Eingangssignale an den Summierer 346 angelegt, um die Anzeige 348 für die zeitgleiche Signalenergie für jede Integrationsperiode von 0,01 Sekunden zu erhalten. Die Anzeige 348 für die zeitgleiche Signalenergie ist gleich der Summe der Quadrate der Ausgangssignale 330 und 332. Sinnvollerweise werden das Phasenfehlersignal 197, das Vorzeichenbit 201 und die Anzeige 348 für die zeitgleiche Signalenergie direkt von dem Ausgangssignal 330 und dem Ausgangssignal 332 dadurch erhalten, daß die Werte des Ausgangssignals 330 und des Ausgangssignal 332 dazu verwendet werden, ein ROM zu adressieren, in welchem vorberechnete Werte des Phasenfehlersignals 197, des Vorzeichenbits 201 und der Anzeige 348 für die zeitgleiche Signalenergie gespeichert wurden.The output signal 330 from the integrator 324 for 0.01 seconds is applied at the end of each integration period of 0.01 seconds as an input signal to the squarer 338, which produces an output signal 342 that represents the square of the output signal 330. The output signal 332 of the The energy of integrator 328 is applied at the end of each 0.01 second integration period to squarer 340 which produces output signal 344 which is equal to the square of output signal 332. Output signals 342 and 344 are applied as inputs to summer 346 to obtain instantaneous signal energy indication 348 for each 0.01 second integration period. The simultaneous signal energy indication 348 is equal to the sum of the squares of the output signals 330 and 332. Conveniently, the phase error signal 197, the sign bit 201 and the simultaneous signal energy indication 348 are obtained directly from the output signal 330 and the output signal 332 by using the values of the output signal 330 and the output signal 332 to address a ROM in which pre-calculated values of the phase error signal 197, the sign bit 201 and the simultaneous signal energy indication 348 have been stored.

Die Anzeige für die zeitgleiche Signalenergie 348 wird als Eingangswert an den in Fig. 2 gezeigten Echtzeitcomputer 40 angelegt, am Ende jedes Integrationsintervalls von 0,01 Sekunden. In dem Echtzeitcomputer 40 wird der Durchschnittswert der geraden Intervallenergien der Anzeige 348 für die zeitgleiche Signalenergie mit dem Durchschnittswert von dessen ungeraden Intervallenergien verglichen, um die Phase der Telemetrieumkehrungen zu bestimmen. Das Phasenfehlersignal 197 von dem 2-Quadranten-Invers-Tangens-Funktionsgenerator 334 wird durch das Gate 413 getaktet, um das Phasenfehlersignal 198 zu erhalten. Das Phasenfehlersignal 198 wird vom Gate 413 dann und nur dann ausgegeben, wenn die Anzeige 410 für einen Wert oberhalb der Schwelle, die ebenfalls in das Gate 413 eingegeben wird, anzeigt, daß das Phasenfehlersignal 197 eine gültige Bestimmung des Phasenfehlers ist. Wie nachstehend erläutert zeigt die Anzeige 410 für einen Wert oberhalb der Schwelle an, daß die Anzeige 348 für die zeitgleiche Signalenergie oberhalb einer vorbestimmten Schwelle liegt, und daher genügend Signalenergie während des Integrationsintervalls von 0,01 Sekunden angesammelt wurde, um sicherzustellen, daß eine gültige Phasenermittlung durch den 2-Quadranten- Invers-Tangens-Funktionsgenerator 334 durchgeführt werden konnte.The simultaneous signal energy indication 348 is applied as an input to the real-time computer 40 shown in Fig. 2 at the end of each 0.01 second integration interval. In the real-time computer 40, the average of the even interval energies of the simultaneous signal energy indication 348 is compared to the average of its odd interval energies to determine the phase of the telemetry reversals. The phase error signal 197 from the 2-quadrant inverse tangent function generator 334 is clocked through the gate 413 to obtain the phase error signal 198. The phase error signal 198 is output from the gate 413 if and only if the indication 410 indicates for a value above the threshold also input to the gate 413 that the phase error signal 197 is a valid determination of the phase error. As explained below, the display 410 shows for a value above the threshold indicates that the simultaneous signal energy indication 348 is above a predetermined threshold and, therefore, sufficient signal energy has been accumulated during the 0.01 second integration interval to ensure that a valid phase determination could be made by the 2-quadrant inverse tangent function generator 334.

Das Phasenfehlersignal 198, welches eine gültige Messung repräsentiert, wird als Eingangssignal an das Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 angelegt, welches in Fig. 6 gezeigt ist, um eine Phasenverriegelung aufrecht zu erhalten.The phase error signal 198, which represents a valid measurement, is applied as an input to the phase and group delay register subsystem 196 shown in Figure 6 to maintain phase lock.

Wenn der 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 verriegelt mit der 308-fo-impliziten Trägerphase Φest ist und daher dieser gleich ist, so ist das Phasenfehlersignal 198 annähernd gleich Null.If the 308 fo carrier phase estimate Φest 192 is locked to and therefore equal to the 308 fo implicit carrier phase Φest, then the phase error signal 198 is approximately equal to zero.

Wie erwähnt kann die Telemetrie durch den Echtzeitcomputer 40 dadurch gelesen werden, daß die Sequenz geradzahliger oder ungeradzahliger Vorzeichenbits 201 abgetastet wird, wobei nach dem Rahmensynchronisationsmuster gesucht wird, welches von dem GPS-Satelliten 12 gesendet wird, um den Beginn jedes Telemetrierahmens zu markieren. Die Parität dieses Synchronisationsmusters zeigt an, ob das Vorzeichenbit 201 invertiert werden muß, um die Telemetrienachrichtenbits zu erhalten.As mentioned, the telemetry can be read by the real-time computer 40 by scanning the sequence of even or odd sign bits 201, looking for the frame synchronization pattern transmitted by the GPS satellite 12 to mark the beginning of each telemetry frame. The parity of this synchronization pattern indicates whether the sign bit 201 must be inverted to obtain the telemetry message bits.

Die Telemetriebitwerte sollten entweder aus den geradzahligen oder den ungeradzahligen Integrationszeiten von 0,01 Sekunden ermittelt werden, je nachdem bei welchen festgestellt wurde, daß sie keine Phasenfehler enthalten, wie voranstehend erläutert wurde. Obwohl das Phasenfehlersignal 198 besser nur aus den ungeradzahligen oder nur aus den geradzahligen Integrationszeiten ermittelt wird, je nachdem von welchen festgestellt wurde, daß sie keine Telemetriephasenumkehrungen enthalten, ist es nicht streng erforderlich, zu diesem Zweck zwischen geradzahligen und ungeradzahligen Integrationsintervallen zu unterscheiden. Einer der beiden Werte für das Phasenfehlersignal 198, für das ungeradzahlige Intervall oder für das geradzahlige Intervall, ist immer gültig, da es innerhalb dieser Integrationsperiode keine Umkehrungen gibt. Der andere, geradzahlig oder ungeradzahlig, kann ebenfalls gültig sein, es sei denn, die Telemetrieumkehrungen treten sehr nahe am Mittelpunkt des Integrationsintervalls auf. In dem Fall, in welchem die Phasenumkehrungen nahe dem Mittelpunkt der Integrationsperiode auftreten, würde der sehr niedrige Ausgangswert des Ausgangssignals 330 und des Ausgangssignals 332 zu einem nicht verläßlichen Wert 197 am Ausgang des 2-Quadranten-Invers-Tangentenfunktionsgenerators 334 führen, welcher besser nicht als Phasenfehlersignal 198 weitergeleitet werden würde.The telemetry bit values should be determined from either the even or odd 0.01 second integration times, whichever is found to be free of phase errors, as explained above. Although the phase error signal 198 is better derived from only the odd or only the even integration times, whichever is found not to contain telemetry phase reversals, it is not strictly necessary to distinguish between even and odd integration intervals for this purpose. One of the two values for the phase error signal 198, for the odd interval or for the even interval, is always valid since there are no reversals within that integration period. The other, even or odd, may also be valid unless the telemetry reversals occur very near the midpoint of the integration interval. In the case where the phase reversals occur near the midpoint of the integration period, the very low output value of the output signal 330 and the output signal 332 would result in an unreliable value 197 at the output of the 2-quadrant inverse tangent function generator 334, which would be better not being passed as the phase error signal 198.

Um derartige, ungültige Anzeigen zu ermitteln und deren Annahme zur Verwendung als Phasenfehlersignal 198 zu verhindern, wird die Energie des Signals, welches in jedem Integrationsintervall empfangen wird, wie durch die Anzeige 348 für die zeitgleiche Signalenergie vom Summierer 346 angezeigt, mit dem Schwellenwert 406 im Komparator 408 verglichen. Der Komparator 408 erzeugt eine binärwertige Anzeige 410 für einen Wert oberhalb der Schwelle, welche anzeigt, ob die Anzeige 348 für die zeitgleiche Signalenergie größer als der Schwellenwert 406 war oder nicht. Der Schwellenwert 406 sollte hoch genug gewählt werden, so daß dann, wenn die Anzeige 348 für die zeitgleiche Signalenergie den Schwellenwert 406 überschreitet, die Anzeige 410 für einen Wert oberhalb der Schwelle anzeigt, daß das Phasenfehlersignal 198 gültig ist. Die Anzeige 410 für einen Wert oberhalb der Schwelle von dem Komparator 408 wird als Eingangssignal wie voranstehend erwähnt an das Gate 413 angelegt, um das Vorhandensein einer gültigen Messung anzuzeigen. Die Anzeige 410 für einen Wert oberhalb der Schwelle wird ebenfalls von dem Echtzeitcomputer 40 während des ursprünglichen Signalacquisitionsvorgangs verwendet, der nachstehend unter zusätzliche Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben wird.To detect such invalid indications and prevent their acceptance for use as the phase error signal 198, the energy of the signal received in each integration interval, as indicated by the simultaneous signal energy indication 348 from summer 346, is compared to the threshold 406 in comparator 408. Comparator 408 produces a binary-valued over-threshold indication 410 indicating whether or not the simultaneous signal energy indication 348 was greater than the threshold 406. Threshold 406 should be selected high enough so that when the simultaneous signal energy indication 348 exceeds threshold 406, the over-threshold indication 410 indicates that the phase error signal 198 is valid. The over-threshold indication 410 from comparator 408 is applied as an input to gate 413 as mentioned above to indicate the presence of a valid measurement. The above-threshold indication 410 is also used by real-time computer 40 during the initial signal acquisition process described below with additional reference to FIG. 6.

Innerhalb des Detektors 358 für ein verspätetes Signal erzeugt der Mischer 300 ein Ausgangssignal 323, welches angesehen werden kann als die exklusive NOR-Funktion des phasengleichen, entwickelten Videosignals 222 und des um ein Stück verzögerten C/A-Code-Lokalmodells 318. Das Ausgangssignal 323 wird als Eingangswert an den 0,01-Sekunden-Integrator 325 angelegt, in welchem es integriert wird, um das Ausgangssignal 331 zu bilden.Within the delayed signal detector 358, the mixer 300 produces an output signal 323 which can be viewed as the exclusive NOR function of the in-phase developed video signal 222 and the one-bit delayed C/A code local model 318. The output signal 323 is applied as an input to the 0.01 second integrator 325 where it is integrated to form the output signal 331.

Da das Ausgangssignal 323 ebenfalls ein Digitalsignal mit einem Bit ist, kann der 0,01-Sekunden-Integrator 325 durch einen getakteten Zähler gebildet werden, der in Reaktion auf die digitale Echtzeitanzeige 34 von der in Fig. 2 gezeigten Echtzeituhr 36 betrieben wird, um die Integration bei jedem ganzzahligen Vielfachen von 0,01 Sekunden zu starten und zu stoppen, angezeigt durch die Echtzeituhr 36. Der Integrator 325 muß wie voranstehend erläutert in bezug auf den Detektor 350 für ein gleichzeitiges Signal auf dieselbe Weise betrieben werden wie der 0,01-Sekunden-Integrator 324.Since the output signal 323 is also a one-bit digital signal, the 0.01 second integrator 325 may be formed by a clocked counter operated in response to the real-time digital display 34 from the real-time clock 36 shown in Figure 2 to start and stop integration at every integer multiple of 0.01 seconds indicated by the real-time clock 36. The integrator 325 must be operated in the same manner as the 0.01 second integrator 324 with respect to the simultaneous signal detector 350, as explained above.

Der Mischer 306 erzeugt ein Ausgangssignal 327, welches 0,01 Sekunden lang durch den Integrator 329 integriert wird, beginnend und endend bei ganzzahligen 0,01-fachen einer Sekunde unter der Steuerung der Echtzeituhr 36, um das Ausgangssignal 333 zu erzeugen.The mixer 306 produces an output signal 327 which is integrated for 0.01 seconds by the integrator 329, beginning and ending at integers of 0.01 times a second, under the control of the real-time clock 36 to produce the output signal 333.

Das Ausgangssignal 331 von dem 0,01-Sekunden-Integrator 325 wird am Ende der Integrationsperiode von 0,01 Sekunden als ein Eingangswert an dem Quadrierer 339 angelegt, welche ein Ausgangssignal 343 entsprechend dem Quadrat des Ausgangssignals 331 erzeugt. Das Ausgangssignal 333 von dem Integrator 329 wird am Ende der Integrationsperiode von 0,01 an den Quadrierer 341 angelegt, welcher das Ausgangssignal 345 gleich dem Quadrat des Ausgangssignals 333 erzeugt. Das Ausgangssignal 343 und das Ausgangssignal 345 werden als Eingangswerte an den Summierer 347 angelegt, welcher das verspätete Signal 356 erzeugt, welches daher ein Maß für die Energie des Signals darstellt, welches vom GPS-Satelliten 12 während der Integrationsperiode empfangen wurde.The output signal 331 from the 0.01 second integrator 325 is applied as an input to the squarer 339 at the end of the 0.01 second integration period, which produces an output signal 343 equal to the square of the output signal 331. The output signal 333 from the integrator 329 is applied as an input to the squarer 341 at the end of the 0.01 second integration period, which produces the output signal 345 equal to the square of the output signal 333. The output signal 343 and the output signal 345 are applied as inputs to the summer 347, which produces the delayed signal 356, which is therefore a measure of the energy of the signal received from the GPS satellite 12 during the integration period.

Innerhalb des Detektors 352 für das voreilende Signal erzeugt der Mischer 304 ein Ausgangssignal 369, welches man als die exklusive NOR-Funktion des phasengleichen, entwickelten Videosignals 222 und des 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodells 228 ansehen kann. Das Ausgangssignal 369 wird als ein Eingangswert an den 0,01-Sekunden-Integrator 349 angelegt, in welchem es zur Bildung des Ausgangssignals 351 integriert wird.Within the leading signal detector 352, the mixer 304 produces an output signal 369 which can be viewed as the exclusive NOR function of the in-phase developed video signal 222 and the 1-bit C/A code local model 228. The output signal 369 is applied as an input to the 0.01 second integrator 349 where it is integrated to form the output signal 351.

Da auch das Ausgangssignal 369 ein Digitalsignal mit einem Bit ist, kann der 0,01-Sekunden-Integrator 349 durch einen getakteten Zähler gebildet werden, der in Reaktion auf die digitale Echtzeitanzeige 34 von der in Fig. 2 gezeigten Echtzeituhr 36 betrieben wird, um die Integration bei jedem ganzzahligen Vielfachen von 0,01 Sekunden zu beginnen und anzuhalten, gemäß der Anzeige durch die Echtzeituhr 36. Der Integrator 349 muß auf dieselbe Weise wie der 0,01-Sekunden-Integrator 324 betrieben werden, wie voranstehend erwähnt, in bezug auf den Detektor 350 für das zeitgleiche Signal.Since the output signal 369 is also a one-bit digital signal, the 0.01 second integrator 349 may be formed by a clocked counter operated in response to the real-time digital indication 34 from the real-time clock 36 shown in Fig. 2 to start and stop integration at every integer multiple of 0.01 seconds as indicated by the real-time clock 36. The integrator 349 must be operated in the same manner as the 0.01 second integrator 324, as mentioned above, with respect to the contemporaneous signal detector 350.

Entsprechend erzeugt der Mischer 310 das Ausgangssignal 357.Accordingly, the mixer 310 generates the output signal 357.

welches 0,01 Sekunden lang durch den Integrator 359 integriert wird, beginnend und endend bei ganzzahligen 0,01-fachen einer Sekunde unter der Steuerung der Echtzeituhr 36, zur Erzeugung des Ausgangssignals 361.which is integrated for 0.01 seconds by the integrator 359, beginning and ending at integers of 0.01 times a second under the control of the real-time clock 36, to produce the output signal 361.

Am Ende der Integrationsperiode von 0,01 Sekunden wird das Ausgangssignal 351 von dem 0,01-Sekunden-Integrator 349 als Eingangswert an den Quadrierer 353 angelegt, welcher ein Ausgangssignal 355 gleich dem Quadrat des Ausgangssignals 351 erzeugt. Das Ausgangssignal 361 von dem Integrierer 359 am Ende der 0,01-Integrationsperiode wird an den Quadrierer 363 angelegt, welcher ein Ausgangssignal 365 gleich dem Quadrat des Ausgangssignals 361 erzeugt. Das Ausgangssignal 355 und das Ausgangssignal 365 werden als Eingangswerte an den Summierer 367 angelegt, welcher ein Frühsignal 354 erzeugt, welches daher ein Maß für die Signalenergie ist, welches von dem GPS- Satelliten 12 während der Integrationsperiode empfangen wird.At the end of the 0.01 second integration period, the output signal 351 from the 0.01 second integrator 349 is applied as an input to the squarer 353, which produces an output signal 355 equal to the square of the output signal 351. The output signal 361 from the integrator 359 at the end of the 0.01 integration period is applied to the squarer 363, which produces an output signal 365 equal to the square of the output signal 361. The output signal 355 and the output signal 365 are applied as inputs to the summer 367, which produces an early signal 354, which is therefore a measure of the signal energy received from the GPS satellite 12 during the integration period.

Wie voranstehend erläutert wird die Anzeige 348 für zeitgleiche Signalenergie von dem Detektor 350 für das zeitgleiche Signal an den Eingang zur C/A-Code-Gruppenverzögerungsfehler- Detektorschaltung 401 angelegt, um eine Anzeige 410 für einen Wert oberhalb der Schwelle zu erzeugen. Das Frühsignal 354 und das Verspätungssignal 356 werden ebenfalls als Eingangswerte an die C/A-Code-Gruppenverzögerungsfehler-Detektorschaltung 401 angelegt, und insbesondere als Eingangswerte an den Komparator 400 für einen Vergleich zwischen früh und spät angelegt. Der Komparatur 400 für früh bzw. spät arbeitet so, daß er feststellt, welcher seiner Eingangswerte größer ist, und eine Anzeige 402 für früh größer als spät erzeugt, wenn das frühe Signal 354 größer ist als das späte Signal 356, und eine Anzeige 404 von spät größer als früh erzeugt, wenn der Gegensatz wahr ist.As previously explained, the simultaneous signal energy indication 348 from the simultaneous signal detector 350 is applied to the input to the C/A code group delay error detector circuit 401 to produce an above threshold indication 410. The early signal 354 and the late signal 356 are also applied as inputs to the C/A code group delay error detector circuit 401, and in particular are applied as inputs to the comparator 400 for an early-late comparison. The early/late comparator 400 operates to determine which of its input values is greater, and produce an early greater than late indication 402 when the early signal 354 is greater than the late signal 356, and produce an indication 404 of late greater than early when the contrary is true.

Die Anzeige 402 für früh größer als spät und die Anzeige 404 für spät größer als früh werden als Eingangswerte an ein Paar identischer, logischer UND-Gates 412 und 416 angelegt. Die anderen Eingangswerte für die UND-Gates 412 und 416 werden durch die Anzeige 410 für einen Wert oberhalb der Schwelle zur Verfügung gestellt, so daß das jeweilige Verzögerungsregister- Inkrementierungssignal 414 und das Verzögerungsregister-Dekrementierungssignal 418 von den Gates 412 und 416 freigeschaltet wird, wenn die Anzeige 348 für eine zeitgleiche Signalenergie oberhalb des Schwellenwertes 406 liegt. Die Gates 412 und 416 erzeugen das Verzögerungsregister-Inkrementierungssignal 414 und das Verzögerungsregister-Dekrementierungssignal 418, welche jeweils zusammen genommen das Gruppenverzögerungsfehlersignal 200 bilden, welches voranstehend unter Bezugnahme auf Fig. 6 gezeigt wurde.The early greater than late indicator 402 and the late greater than early indicator 404 are applied as inputs to a pair of identical logical AND gates 412 and 416. The other inputs to the AND gates 412 and 416 are provided by the above-threshold indicator 410 so that the respective delay register increment signal 414 and the delay register decrement signal 418 are enabled by the gates 412 and 416 when the concurrent signal energy indicator 348 is above the threshold 406. Gates 412 and 416 generate delay register increment signal 414 and delay register decrement signal 418, each taken together forming group delay error signal 200 shown above with reference to Figure 6.

Auf diese Weise läßt sich feststellen, daß der Korrelator 226 zur Erzeugung eines Wertes für das Phasenfehlersignal 197 dient, zur Ermittlung aus der zeitgleichen Signalenergie, ob das auf diese Weise erzeugte Phasenfehlersignal gültig ist, und dazu, falls es gültig ist, zur Weiterleitung dieses Wertes als Phasenfehlersignal 198, an das Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196. Entsprechend leitet der Korrelator 226 das Gruppenverzögerungsfehlersignal 200 weiter, um den Wert für den 30-Bit-C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 876 zu inkrementieren oder dekrementieren, der in dem in Fig. 13 gezeigten Verzögerungsregister 842 festgehalten wird, entsprechend der Relativleistung, die aus der frühen oder verspäteten Kreuzkorrelation erhältlich ist.In this way, it can be determined that the correlator 226 is for generating a value for the phase error signal 197, determining from the contemporaneous signal energy whether the phase error signal thus generated is valid, and if it is valid, passing that value as the phase error signal 198 to the phase and group delay register subsystem 196. Accordingly, the correlator 226 passes the group delay error signal 200 to increment or decrement the value for the 30-bit C/A code group delay estimate τest 876 held in the delay register 842 shown in Figure 13, according to the relative power available from the early or late cross-correlation.

Fig. 11Fig. 11

In Fig. 11 ist der in Fig. 7 gezeigte C/A-Code-Generator 230 mit weiteren Einzelheiten dargestellt. Wie voranstehend unter Bezug auf Fig. 7 erwähnt, erzeugt der C/A-Code-Generator 230 das 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodell 228, welches eine pseudostatistische Sequenz von Werten von 1023 Bit darstellt, welche den C/A-Code repräsentieren, der für den GPS-Satelliten 12 spezifisch ist. Diese Sequenz wird von dem GPS-Satelliten 12 periodisch mit einer Periode von 1 Millisekunde ausgesendet.In Fig. 11, the C/A code generator 230 shown in Fig. 7 is shown in further detail. As described above under Referring to Fig. 7, the C/A code generator 230 generates the 1-bit C/A code local model 228 which is a pseudo-random sequence of 1023-bit values representing the C/A code specific to the GPS satellite 12. This sequence is transmitted by the GPS satellite 12 periodically with a period of 1 millisecond.

Das 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodell 228 von dem C/A-Code-Generator 230 wird an den Korrelator 226 angelegt, in welchem das 1- Bit-C/A-Code-Lokalmodell 228 mit dem entwickelten, komplexen Videosignal U korreliert wird, welches das phasengleiche, entwickelte Videosignal 222 und das Quadratur-entwickelte Videosignal 224 repräsentiert.The 1-bit C/A code local model 228 from the C/A code generator 230 is applied to the correlator 226 in which the 1-bit C/A code local model 228 is correlated with the developed complex video signal U, which represents the in-phase developed video signal 222 and the quadrature developed video signal 224.

Das 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodell 228 korreliert konstruktiv nur mit der bestimmten Komponente des entwickelten, komplexen Videosignals U, welche aus dem GPS-Satelliten 12 stammt. Der C/A-Code, der in jedem anderen Satelliten verwendet wird, ist unkorreliert, also orthogonal, in bezug auf den Code des GPS- Satelliten 12. Infolge dieser Orthogonalität dient der Korrelator 226 dazu, die Signale von dem GPS-Satelliten 12 auszuwählen und die Signale von anderen Satelliten zurückzuweisen.The 1-bit C/A code local model 228 constructively correlates only with the particular component of the developed complex video signal U that originates from the GPS satellite 12. The C/A code used in any other satellite is uncorrelated, i.e. orthogonal, with respect to the code of the GPS satellite 12. As a result of this orthogonality, the correlator 226 serves to select the signals from the GPS satellite 12 and reject the signals from other satellites.

Wie unter Bezug auf Fig. 2 erläutert wurde, erzeugt der Echtzeitcomputer 40 eine Satellitenzuordnung 41, die an den Satelliten-Verfolgungskanal 32 angelegt wird, um den bestimmten GPS-Satelliten, nämlich den GPS-Satelliten 12, anzuzeigen, der von dem Satelliten-Verfolgungskanal 32 verfolgt werden soll. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, wird innerhalb des Satelliten-Verfolgungskanals 32 die Satelliten-Zuordnung 41 an den Detektor 190 für die 308-fo-Trägerphase und den C/A- Code-Verzögerungsfehler angelegt, innerhalb dessen gemäß Fig. 7 die Satellitenzuordnung 41 an den C/A-Code-Generator 230 angelegt wird. Wie nachstehend erläutert veranlaßt die Satelliten-Zuordnung 41 den C/A-Code-Generator 230 dazu, die bestimmte Code-Sequenz zu erzeugen, nämlich das 1-Bit-C/A- Code-Lokalmodell 228, welche für den GPS-Satelliten 12 spezifisch ist.As explained with reference to Fig. 2, the real-time computer 40 generates a satellite assignment 41 which is applied to the satellite tracking channel 32 to indicate the particular GPS satellite, namely GPS satellite 12, to be tracked by the satellite tracking channel 32. As shown in Fig. 6, within the satellite tracking channel 32, the satellite assignment 41 is applied to the 308 fo carrier phase and C/A code delay error detector 190, within which, as shown in Fig. 7, the satellite assignment 41 is applied to the C/A code generator 230. As explained below, the Satellite assignment 41 causes C/A code generator 230 to generate the particular code sequence, namely the 1-bit C/A code local model 228, which is specific to GPS satellite 12.

Der C/A-Code-Generator 230 empfängt weiterhin die digitale Echtzeitanzeige 34 von der Echtzeituhr 36, die 8 fo-Bezugsfrequenz 27 von dem Verdoppler 25, und den C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert est 194 von dem Verzögerungsregister 842, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Diese drei Eingangswerte zusammen bestimmen den Takt der Erzeugung des 1-Bit-C/A-Code- Lokalmodells 228.The C/A code generator 230 also receives the real-time digital display 34 from the real-time clock 36, the 8 fo reference frequency 27 from the doubler 25, and the C/A code group delay estimate est 194 from the delay register 842, as shown in Figure 7. These three inputs together determine the timing of the generation of the 1-bit C/A code local model 228.

Wie nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 13 erläutert, enthält das Verzögerungsregister 842 den C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 194 und erzeugt diesen, also einen Schätzwert für die aktuelle C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservable τ der C/A-Code-Komponente der GPS-Signale 15, die von dem GPS-Satelliten 12 empfangen werden. Der C/A-Code- Gruppenverzögerungsschätzwert τest 194 wird durch die Wirkung des Verzögerungsfehlersignals 200 eingestellt, welches von dem Korrelator 226 erzeugt wird, um die Differenz zwischen dem C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 194 und der aktuellen C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ zu minimalisieren. Daher ist der C/A-Code-Generator 230 ein Teil einer Verzögerungs-gekoppelten Rückkopplungsschleife, welche den Korrelator 226 und das Verzögerungsregister 842 enthält.As explained below with reference to Figure 13, the delay register 842 contains and produces the C/A code group delay estimate τest 194, an estimate of the current C/A code group delay observable τ of the C/A code component of the GPS signals 15 received from the GPS satellite 12. The C/A code group delay estimate τest 194 is adjusted by the action of the delay error signal 200 produced by the correlator 226 to minimize the difference between the C/A code group delay estimate τest 194 and the current C/A code group delay observable τ. Therefore, the C/A code generator 230 is part of a delay-coupled feedback loop which includes the correlator 226 and the delay register 842.

Wie aus Fig. 11 hervorgeht, enthält der C/A-Code-Generator 230 einen Code-Speicher 450, einen einstellbaren Modulo-1023- Zähler 452, und einen einstellbaren Modulo-40-Zähler 454. Die Satellitenzuordnung 41 von dem Echtzeitcomputer 40 wird an den Code-Speicher 450 angelegt. Die Satelliten-Zuordnung 41 umfaßt vorzugsweise die vollständige Sequenz von 1023 Bit, welche von dem C/A-Code-Generator 230 als 1-Bit-C/A-Code- Lokalmodell 228 reproduziert werden soll. Die Übertragung der für diesen Satelliten spezifischen Sequenz an den Code- Speicher 450 von dem Echtzeitcomputer 40 hat daher den gewünschten Effekt der Zuordnung des C/A-Code-Generators 230 zum GPS-Satelliten 12. Eine derartige Übertragung muß immer dann durchgeführt werden, wenn es erwünscht ist, mit der Verfolgung eines Satelliten durch den Satelliten-Verfolgungskanal 32 zu beginnen. Die Satelliten-Zuordnung 41 wird in dem Code-Speicher 450 solange festgehalten, bis eine unterschiedliche Satelliten-Zuordnung 41 von dem Echtzeitcomputer 40 empfangen wird.As shown in Fig. 11, the C/A code generator 230 includes a code memory 450, an adjustable modulo 1023 counter 452, and an adjustable modulo 40 counter 454. The satellite assignment 41 from the real-time computer 40 is applied to the code memory 450. The satellite assignment 41 preferably comprises the complete sequence of 1023 bits, which is to be reproduced by the C/A code generator 230 as a 1-bit C/A code local model 228. The transmission of the sequence specific to that satellite to the code memory 450 from the real-time computer 40 therefore has the desired effect of associating the C/A code generator 230 with the GPS satellite 12. Such a transmission must be performed whenever it is desired to begin tracking a satellite through the satellite tracking channel 32. The satellite assignment 41 is retained in the code memory 450 until a different satellite assignment 41 is received from the real-time computer 40.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Zuordnung anderer Teile des Satelliten-Verfolgungskanals 32 zum GPS-Satelliten 12 durch eine Einrichtung bewerkstelligt wird, welche nicht die Kenntnis und Verwendung des für den Satelliten spezifischen Codes erfordert. Insbesondere werden der L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206 und der L2-Band-fo-Trägerphasendetektor 208 in dem Satelliten-Verfolgungskanal 32 dem GPS-Satelliten 12 durch Einsatz eines Satelliten-spezifischen fo-Trägerphasenschätzwertes 204 zugeordnet, wie in Fig. 6 und Fig. 12 dargestellt und in diesem Zusammenhang erläutert ist.It should be noted that the assignment of other portions of the satellite tracking channel 32 to the GPS satellite 12 is accomplished by means that do not require the knowledge and use of the satellite specific code. In particular, the L1 band fo carrier phase detector 206 and the L2 band fo carrier phase detector 208 in the satellite tracking channel 32 are assigned to the GPS satellite 12 by using a satellite specific fo carrier phase estimate 204, as shown in Fig. 6 and Fig. 12 and discussed in this context.

Für spezielle Zwecke, beispielsweise für Versuchszwecke, können spezielle Bit-Sequenzen an den Code-Speicher 450 übertragen und in diesem gespeichert werden. Alternativ hierzu könnte der Code-Speicher 450 so ausgebildet sein, daß er mehr als eine Sequenz von Bits speichert, und eine bestimmte Sequenz unter diesen Sequenzen könnte mit Hilfe der Satelliten-Zuordnung 41 ausgewählt werden. Beispielsweise könnte jede mögliche C/A-Code-Sequenz für jeden GPS-Satelliten permanent in dem Code-Speicher 450 enthalten sein und die Satelliten-Zuordnung 41 könnte festlegen, welcher Code aus dem Code-Speicher 450 ausgelesen werden sollte.For special purposes, such as for experimental purposes, specific bit sequences may be transmitted to and stored in the code memory 450. Alternatively, the code memory 450 could be designed to store more than one sequence of bits and a particular sequence among these sequences could be selected using the satellite map 41. For example, every possible C/A code sequence for each GPS satellite could be permanently contained in the code memory 450 and the satellite map 41 could determine which code should be read from the code memory 450.

Der Code-Speicher 450 empfängt die Adresse 460 von dem einstellbaren Modulo-1023-Zähler 452. Die Adresse 460 steuert das Auslesen von Bits aus dem Code-Speicher 450. Der Wert der Adresse 460 ist die Adresse in dem Code-Speicher 450 des bestimmten Bits in der Code-Sequenz, welches aus dem Codespeicher 450 als das 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodell 228 ausgelesen wird. Durch wiederholtes Inkrementieren des Wertes der Adresse 460 wird veranlaßt, daß die Bits sequentiell ausgelesen werden.The code memory 450 receives the address 460 from the adjustable modulo 1023 counter 452. The address 460 controls the reading of bits from the code memory 450. The value of the address 460 is the address in the code memory 450 of the particular bit in the code sequence that is read from the code memory 450 as the 1-bit C/A code local model 228. Repeatedly incrementing the value of the address 460 causes the bits to be read sequentially.

Wenn wie voranstehend erwähnt der Code-Speicher 450 mit der 1023-Bit-Sequenz entsprechend dem C/A-Code des GPS-Satelliten 12 geladen wurde, wobei aufeinanderfolgende Bits der Sequenz in aufeinanderfolgenden Adressen von 0 bis 1022 gespeichert werden, dann kann das richtige 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodell 228 durch Inkrementieren der Adresse 460 in Einerschritten mit einer Rate von 1.023.000 Schritten pro Sekunde erzeugt werden. Wie in Fig. 11 gezeigt erfolgt dies dadurch, daß die Adresse 460 von dem einstellbaren Modulo-1023-Zähler 452 abgeleitet wird, der als Speicheradressenzähler dient, und der einstellbare Modulo-1023-Zähler 452 durch das fo/5-Eingangssignal 458 von dem einstellbaren Modulo-40-Zähler 454 inkrementiert wird.As mentioned above, if the code memory 450 has been loaded with the 1023-bit sequence corresponding to the C/A code of the GPS satellite 12, with successive bits of the sequence being stored at successive addresses from 0 to 1022, then the correct 1-bit C/A code local model 228 can be generated by incrementing the address 460 in increments of one at a rate of 1,023,000 increments per second. As shown in Fig. 11, this is accomplished by deriving the address 460 from the adjustable modulo 1023 counter 452, which serves as a memory address counter, and incrementing the adjustable modulo 1023 counter 452 by the fo/5 input signal 458 from the adjustable modulo 40 counter 454.

Das fo/5-Eingangssignal 458 weist eine Frequenz von fo/5 auf, oder 1.023.000 pro Sekunde, so daß sich die Adresse 460 mit dieser Rate erhöht. Der einstellbare Modulo-1023-Zähler 452 zählt aufwärts, bis ein Maximalwert von 1022 erreicht wird. Nach Erreichen eines Wertes von 1022 kehrt, statt sich auf 1023 zu erhöhen, der Zählwert auf Null zurück, was eine Rückkehr zum Startpunkt der 1023-Bit-C/A-Code-Sequenz hervorruft.The fo/5 input signal 458 has a frequency of fo/5, or 1,023,000 per second, so the address 460 increases at this rate. The adjustable modulo 1023 counter 452 counts up until a maximum value of 1022 is reached. After reaching a value of 1022, instead of increasing to 1023, the count value returns to zero, causing a return to the starting point of the 1023-bit C/A code sequence.

Der einstellbare Modulo-40-Zähler 454 empfängt die 8 fo- Bezugsfrequenz 27 vom Verdoppler 25, und teilt diese Frequenz durch 40, um das fo/5-Eingangssignal 458 zu erzeugen, welches an den einstellbaren Modulo-1023-Zähler 452 angelegt wird.The adjustable modulo-40 counter 454 receives the 8 fo reference frequency 27 from the doubler 25 and divides that frequency by 40 to produce the fo/5 input signal 458 which is applied to the adjustable modulo-1023 counter 452.

Der Relativtakt, also die Phase des 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodells 228 in bezug auf die digitale Echtzeitanzeige 34 von der Echtzeituhr 36 wird durch den C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert est 194 von dem Verzögerungsregister 842 gesteuert. Der Millisekunden-Takt 456, der in der digitalen Echtzeitanzeige 34 enthalten ist, ist ein Impuls, der einmal pro Millisekunde auftaucht, und zwar jedesmal dann, wenn exakt ein ganzzahliges Vielfaches von Millisekunden durch die digitale Echtzeitanzeige 34 angezeigt wird. Mit anderen Worten markiert der Millisekunden-Takt 456 ganzzahlige Millisekunden.The relative clock, i.e. the phase of the 1-bit C/A code local model 228 with respect to the real-time digital display 34 from the real-time clock 36, is controlled by the C/A code group delay estimate est 194 from the delay register 842. The millisecond clock 456 contained in the real-time digital display 34 is a pulse that occurs once per millisecond, each time exactly an integer multiple of milliseconds is displayed by the real-time digital display 34. In other words, the millisecond clock 456 marks integer milliseconds.

Der Millisekunden-Takt 456 wird an die Eingänge des einstellbaren Modulo-40-Zählers 454 und des einstellbaren Modulo- 1023-Zählers 452 angelegt, die so ausgebildet sind, daß jedes Auftreten des Millisekunden-Taktes 456, welches eine ganzzahlige Millisekunde entsprechend der Echtzeituhr 36 markiert, dazu führt, daß der Momentanwert des C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwertes est 194 in den einstellbaren Modulo-40- Zähler 454 und in den einstellbaren Modulo-1023-Zähler 452 kopiert wird. Mit anderen Worten schaltet der Millisekunden- Takt 456 die Einstellung des einstellbaren Modulo-40-Zählers 454 und des einstellbaren Modulo-1023-Zählers 452 frei, und stellt der C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert est 194 die Werte zur Verfügung, auf welche diese Zähler momentan gesetzt werden.The millisecond clock 456 is applied to the inputs of the adjustable modulo 40 counter 454 and the adjustable modulo 1023 counter 452, which are arranged such that each occurrence of the millisecond clock 456 which marks an integer millisecond according to the real time clock 36 results in the instantaneous value of the C/A code group delay estimate est 194 being copied into the adjustable modulo 40 counter 454 and the adjustable modulo 1023 counter 452. In other words, the millisecond clock 456 enables the setting of the adjustable modulo 40 counter 454 and the adjustable modulo 1023 counter 452, and the C/A code group delay estimate est 194 provides the values to which these counters are currently set.

Wie in Fig. 11 gezeigt und ebenfalls in bezug auf Fig. 13 gezeigt und erläutert, enthält der C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert est 194 einen 10-Bit-Gesamtstück-Gruppenverzogerungsschätzwert 874 von dem Modulo-1023-reversiblen Zähler 868 in dem Verzögerungsregister 842. Der 10-Bit-Gesamtstück- Gruppenverzögerungsschätzwert 874 zeigt die Gesamtanzahl an C/A-Code-Stücken an, von Null bis 1022, oder Modulo 1023, die von dem C/A-Code-Generator 230 beim Auftreten des Millisekunden-Taktes 456 hätten erzeugt werden müssen.As shown in Fig. 11 and also shown and explained with respect to Fig. 13, the C/A code group delay estimate est 194 contains a 10-bit total chunk group delay estimate 874 from the modulo 1023 reversible counter 868 in the delay register 842. The 10-bit total chunk group delay estimate 874 indicates the total number of C/A code chunks, from zero to 1022, or modulo 1023, that should have been generated by the C/A code generator 230 at the occurrence of the millisecond clock 456.

Der Anteil eines C/A-Code-Stückes, der von dem C/A-Code-Generator 230 beim Auftreten des Millisekunden-Taktes 456 hätte erzeugt werden müssen, wird durch einen Zehntelstück-Verzögerungsschätzwert 872 von dem 4-Bit, Modulo-10-Zähler 866 des Modulo-40-Zählers 860 in dem Verzögerungsregister 842 angezeigt, und durch den 2-Bit-fo-Trägerphasenschätzwert 204 von dem 2-Binärbit, Modulo-4-Zähler 864 des Modulo-40-Zählers 860 in dem Verzögerungsregister 842. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 13 erläutert wurde, repräsentiert der fo-Trägerphasenschätzwert 204 die Verzögerung in Einheiten entsprechend einem Viertelzyklus der Phase bei einer Frequenz von 2 fo. Diese Einheiten stellen ebenfalls 1/40-stel eines C/A-Code- Stückes dar.The portion of a piece of C/A code that should have been generated by the C/A code generator 230 at the occurrence of the millisecond clock 456 is indicated by a tenth piece delay estimate 872 from the 4-bit, modulo-10 counter 866 of the modulo-40 counter 860 in the delay register 842 and by the 2-bit fo carrier phase estimate 204 from the 2-binary bit, modulo-4 counter 864 of the modulo-40 counter 860 in the delay register 842. As explained with reference to Figure 13, the fo carrier phase estimate 204 represents the delay in units corresponding to a quarter cycle of phase at a frequency of 2 fo. These units also represent 1/40th of a C/A code piece.

Wie aus Fig. 11 hervorgeht, wird der 10-Bit-Stück-Gruppenverzögerungsschätzwert 874 an den Eingang "einzustellender Wert" des einstellbaren Modulo-1023-Zählers 452 angelegt, so daß der Momentanwert des 10-Bit-Gesamtstück-Gruppenverzögerungsschätzwertes 874 in den einstellbaren Modulo-1023-Zähler 452 bei jedem Auftreten des Millisekunden-Taktes 456 kopiert werden wird.As shown in Figure 11, the 10-bit slice group delay estimate 874 is applied to the "value to be adjusted" input of the adjustable modulo 1023 counter 452 so that the instantaneous value of the 10-bit slice group delay estimate 874 will be copied into the adjustable modulo 1023 counter 452 at each occurrence of the millisecond clock 456.

Der 2-Bit-fo-Trägerphasenschätzwert 204 und der 4-Bit- Schätzwert 872, welche zusammen den gesamten Inhalt des Modulo-40-Zählers 860 repräsentieren, werden zusammen an den Eingang "einzustellender Wert" des einstellbaren Modulo-40- Zählers 454 angelegt, so daß die Momentanwerte des fo-Trägerphasenschätzwertes 204 und des 4-Bit-Schätzwertes 872, die zusammen einen Bruchteil eines C/A-Code-Stückes bilden, in den einstellbaren Modulo-40-Zähler 454 bei jedem Auftreten eines Millisekunden-Taktes 456 kopiert werden.The 2-bit fo carrier phase estimate 204 and the 4-bit estimate 872, which together comprise the entire content of the Modulo-40 counter 860 are applied together to the "value to be adjusted" input of adjustable modulo-40 counter 454 so that the instantaneous values of the fo carrier phase estimate 204 and the 4-bit estimate 872, which together form a fraction of a C/A code piece, are copied into adjustable modulo-40 counter 454 at each occurrence of a millisecond clock 456.

Von einem Auftreten des Millisekunden-Taktes 456 bis zum nächsten inkrementieren der einstellbare Modulo-40-Zähler 454 und der einstellbare Modulo-1023-Zähler 452 mit exakt gleichförmigen Raten von 8 fo bzw. fo/5, entsprechend der 8 fo- Bezugsfrequenz 27. Daher wird das 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodell 228 mit konstanter Rate erzeugt, abgesehen von diskontinuierlichen oder "stufenförmigen" Einstellungen der Verzögerung oder der Code-Phase, die bei ganzzahligen Millisekunden entsprechend dem Millisekunden-Takt 456 von der digitalen Echtzeitanzeige 34 auftreten. Es wäre wünschenswerter, das 1-Bit- C/A-Code-Lokalmodell 228 mit einer glatt variierenden Rate und Phase zu erzeugen. Allerdings sind die Diskontinuitäten bei den ganzzahligen Millisekunden geringfügig. Die Entfernung zwischen der Antenne 22 und dem GPS-Satelliten 12 ändert sich typischerweise um weniger als 1 Meter pro Millisekunde. In jeder Millisekunde wird die mittlere Verzögerung des 1-Bit- C/A-Code-Lokalmodells 228, welches von dem C/A-Code-Generator 230 erzeugt wird, um die Hälfte des Betrages der Verzögerungsdiskontinuität versetzt, die bei der ganzzahligen Millisekunde auftritt, infolge der stufenweisen Art und Weise der erzeugten Verzögerungsänderung. Diese Versetzung wird vernünftigerweise bei der Verarbeitung der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ der C/A-Code-Komponente der GPS-Signale 15 durch den Echtzeitcomputer 40 berücksichtigt.From one occurrence of the millisecond clock 456 to the next, the adjustable modulo 40 counter 454 and the adjustable modulo 1023 counter 452 increment at exactly uniform rates of 8 fo and fo/5, respectively, corresponding to the 8 fo reference frequency 27. Therefore, the 1-bit C/A code local model 228 is generated at a constant rate, except for discontinuous or "stepped" adjustments of the delay or code phase that occur at integer milliseconds corresponding to the millisecond clock 456 from the real-time digital display 34. It would be more desirable to generate the 1-bit C/A code local model 228 at a smoothly varying rate and phase. However, the discontinuities at the integer milliseconds are minor. The distance between the antenna 22 and the GPS satellite 12 typically changes less than 1 meter per millisecond. Every millisecond, the average delay of the 1-bit C/A code local model 228 generated by the C/A code generator 230 is offset by half the amount of the delay discontinuity occurring at the integer millisecond due to the stepwise nature of the delay change generated. This offset is reasonably taken into account in the processing of the C/A code group delay observable τ of the C/A code component of the GPS signals 15 by the real-time computer 40.

Fig. 12Fig. 12

In Fig. 12 ist der in Fig. 6 dargestellte L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206 mit weiteren Einzelheiten gezeigt. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert wurde, weist der L2- Band-fo-Trägerphasendetektor 208 den gleichen Betrieb auf wie der L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206, mit der Ausnahme, daß er mit Signalen arbeitet, die in dem L1-Frequenzband empfangen werden. Der Zeigerzählerrotator 240 am Eingang des L1-Band-fo-Trägerphasendetektors 206 empfängt das phasengleich rekonstruierte L1-Band-fo-Trägerverbundsignal 88 und das Quadratur-phasenrekonstruierte L1-Band-fo-Trägerverbundsignal 90 als Eingangssignale von der Rekonstruktionsvorrichtung und dem Herunterwandler 86 für den L1-Band-fo- Träger, wie in Fig. 3 gezeigt ist.In Fig. 12, the L1 band fo carrier phase detector 206 shown in Fig. 6 is shown in more detail. As explained with reference to Fig. 6, the L2 band fo carrier phase detector 208 has the same operation as the L1 band fo carrier phase detector 206, with the exception that it operates with signals received in the L1 frequency band. The phasor counter rotator 240 at the input of the L1 band fo carrier phase detector 206 receives the in-phase reconstructed L1 band fo carrier composite signal 88 and the quadrature phase reconstructed L1 band fo carrier composite signal 90 as inputs from the L1 band fo carrier reconstructor and downconverter 86, as shown in FIG. 3.

Wie voranstehend unter Bezug auf Fig. 9 erläutert wurde, ist der Betrieb des Zeigerzählerrotators 240 identisch mit jenem des in Fig. 7 gezeigten Zeigerzählerrotators 220, mit der Ausnahme, daß der Zeigerzählerrotator 240 mit dem L1-Band-rekonstruierten Trägerverbundsignalzeiger 89 arbeitet, wogegen der Zeigerzählerrotator 220 mit dem komplexen Videozeiger 83 arbeitet. Der L1-Band-rekonstruierte Trägerverbundsignalzeiger 89 ist der Zeiger in der komplexen Ebene, welcher die Verbundsignale sämtlicher einzelner, Satelliten-spezifischer L1-Bandrekonstruierter-fo-Zeiger repräsentiert, beispielsweise den L1-Band-rekonstruierten-fo-Trägerzeiger 89&sub1;&sub2; von dem GPS- Satelliten 12.As explained above with reference to Fig. 9, the operation of the phasor counter rotator 240 is identical to that of the phasor counter rotator 220 shown in Fig. 7, with the except that the phasor counter rotator 240 operates with the L1 band reconstructed carrier composite signal phasor 89, whereas the phasor counter rotator 220 operates with the complex video phasor 83. The L1 band reconstructed carrier composite signal phasor 89 is the phasor in the complex plane that represents the composite signals of all individual satellite-specific L1 band reconstructed fo phasors, for example the L1 band reconstructed fo carrier phasor 8912 from the GPS satellite 12.

Der Zeigerzählerrotator 240 empfängt den fo-Trägerphasenschätzwert 204 von dem Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 als seinen zweiten Eingangswert. Wie nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 13 erläutert, wird der fo-Trägerphasenschätzwert 204 direkt von dem Verzögerungsregister 842 abgeleitet, und indirekt von dem Phasenregister 840, die beide in dem phasengleichen und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 enthalten sind. Der fo-Trägerphasenschätzwert 204 ist ein 2-Bit-Signal, welches nur den Quadranten des geschätzten, rekonstruierten fo- Trägers repräsentiert, mit einer Phase Modulo einem Zyklus, bei der rekonstruierten Trägerfrequenz. Wie voranstehend erläutert beträgt die Phase des rekonstruierten fo-Trägers, also der Winkel des L1-Band-rekonstruierten-fo-Trägerzeigers 89&sub1;&sub2;, das Doppelte des entsprechenden fo-Trägers, welcher implizit in dem komplexen Videosignal V enthalten ist, welches ein zusammengesetztes Signal aus Signalen mit unterdrücktem Träger und verbreitem Spektrum darstellt.The phasor counter rotator 240 receives the fo carrier phase estimate 204 from the phase and group delay register subsystem 196 as its second input. As explained below with reference to Fig. 13, the fo carrier phase estimate 204 is received directly from the delay register 842, and indirectly from phase register 840, both of which are included in in-phase and group delay register subsystem 196. Fo carrier phase estimate 204 is a 2-bit signal representing only the quadrant of the estimated reconstructed fo carrier, with a phase modulo one cycle, at the reconstructed carrier frequency. As previously explained, the phase of the reconstructed fo carrier, i.e., the angle of the L1 band reconstructed fo carrier phasor 8912, is twice the corresponding fo carrier implicitly included in the complex video signal V, which is a composite signal of suppressed carrier and broad spectrum signals.

Wie voranstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert, ist implizit sowohl in den L1- als auch den L2-Band-Abschnitten der GPS-Signale 15 mit unterdrücktem Träger und verbreitertem Spektrum, die vom GPS-Satelliten 12 ausgesendet werden, eine implizite Trägerwelle mit einer Frequenz enthalten, die nominell gleich fo oder 5,115 Megahertz ist. fo ist die Fundamentalfrequenz, die von einem nicht gezeigten Frequenzstandard innerhalb des GPS-Satelliten 12 erzeugt wird, und welche die Grundlage für die Konstruktion sämtlicher Signale bildet, die von dem GPS-Satelliten 12 gesendet werden. Die aktuelle Frequenz dieses impliziten Trägers kann selbstverständlich von exakt fo abweichen, abhängig von der Genauigkeit des Frequenzstandards des Satelliten. Die Abweichung der aktuellen impliziten Trägerfrequenz von exakt fo ist normalerweise geringer als etwa 0,05 Hertz, oder etwa 1 Teil in 10&sup8; von fo.As explained above with reference to Fig. 1, implicit in both the L1 and L2 band portions of the suppressed carrier and broadened spectrum GPS signals 15 transmitted by the GPS satellite 12 is an implicit carrier wave having a frequency nominally equal to fo or 5.115 megahertz. fo is the fundamental frequency generated by a frequency standard (not shown) within the GPS satellite 12 and which forms the basis for the construction of all signals transmitted by the GPS satellite 12. The actual frequency of this implicit carrier may, of course, deviate from exactly fo depending on the accuracy of the satellite's frequency standard. The deviation of the actual implicit carrier frequency from exactly fo is normally less than about 0.05 hertz, or about 1 part in 108 of fo.

GPS-Signale 15 mit verbreitertem Spektrum von dem GPS-Satelliten 12, die mit der Antenne 22 empfangen und dem Empfänger 24 zugeführt werden, wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 und Fig. 3 erläutert, wurden verzögert und Doppler-verschoben, als Ergebnis der Relativposition und -geschwindigkeit der Antenne in dem nicht gezeigten GPS-Satelliten 12 in bezug auf die Antenne 22. Die Phasen ψL1 und ψL2 der fo-Träger, die implizit in den L1- und L2-Bändern der empfangenen GPS-Signale 15 enthalten sind, geben die Gruppenverzögerungen der Signale wieder, die in den jeweiligen Bändern empfangen werden. Der L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206 und der L2-Band-fo- Trägerphasendetektor 208 messen ψL1 bzw. ψL2. Die Dopplerfrequenzverschiebungen der fo-Träger, die implizit sowohl in den L1- als auch den L2-Bändern der empfangenen GPS-Signale 15 enthalten sind, variieren zwischen plus und minus 15 Hertz, wenn der Satellit aufgeht, den Himmel überquert, und untergeht. Als Bruchteil von fo ausgedrückt liegt diese Dopplerfrequenzverschiebung zwischen plus und minus drei Teilen in 106. Daher ist die typische Dopplerfrequenzverschiebung um eine Größenordnung von zwei Größenordnungen größer als die fo-Trägerfrequenzabweichung, die normalerweise infolge eines Offsets des Frequenzstandards innerhalb des GPS-Satelliten 12 auftritt.Broad spectrum GPS signals 15 from the GPS satellite 12 are received by the antenna 22 and fed to the receiver 24, as described with reference to Fig. 2 and 3, have been delayed and Doppler shifted as a result of the relative position and velocity of the antenna in the GPS satellite 12 (not shown) with respect to the antenna 22. The phases ψL1 and ψL2 of the fo carriers implicitly contained in the L1 and L2 bands of the received GPS signals 15 represent the group delays of the signals received in the respective bands. The L1 band fo carrier phase detector 206 and the L2 band fo carrier phase detector 208 measure ψL1 and ψL2, respectively. The Doppler frequency shifts of the fo carriers, implicitly contained in both the L1 and L2 bands of the received GPS signals 15, vary between plus and minus 15 hertz as the satellite rises, crosses the sky, and sets. Expressed as a fraction of fo, this Doppler frequency shift is between plus and minus three parts in 106. Therefore, the typical Doppler frequency shift is an order of two orders of magnitude larger than the fo carrier frequency deviation that normally occurs due to an offset of the frequency standard within the GPS satellite 12.

Die Herunterwandlung von Funkfrequenz auf Videofrequenz, die innerhalb des Funkfrequenz-Videofrequenz-Herunterwandler 76 von Fig. 3 durchgeführt wird, ändert nicht die Frequenz des fo-Trägers, der implizit in den empfangenen GPS-Signalen 15 enthalten ist, und diese Frequenz-Herunterwandlung ändert ebenfalls nicht die Natur dieser Signale, die ein verbreitertes Spektrum aufweisen. Das komplexe Videosignal V, dessen Real- bzw. Imaginärteil durch das phasengleiche Videosignal 82 bzw. das Quadratur-Videosignal 84 gebildet werden, wie in Fig. 3 gezeigt ist, stellt ein zusammengesetztes Signal der Signale mit verbreitertem Spektrum dar, die von sämtlichen sichtbaren Satelliten empfangen werden. In dem komplexen Videosignal V weist die Komponente mit verbreitertem Spektrum der GPS-Signale 15 einen impliziten Träger mit einer Frequenz nahe fo auf, der um zwischen plus und minus 15 Hertz hauptsächlich infolge des Dopplereffektes verschoben ist, wie voranstehend erwähnt.The radio frequency to video frequency downconversion performed within the radio frequency to video frequency downconverter 76 of Fig. 3 does not change the frequency of the fo carrier implicitly contained in the received GPS signals 15, nor does this frequency downconversion change the nature of these broadened spectrum signals. The complex video signal V, the real and imaginary parts of which are formed by the in-phase video signal 82 and the quadrature video signal 84, respectively, as shown in Fig. 3, represents a composite signal of the broadened spectrum signals received from all visible satellites. In the complex video signal V, the broadened spectrum component the GPS signals 15 have an implicit carrier with a frequency close to fo, which is shifted by between plus and minus 15 Hertz mainly due to the Doppler effect, as mentioned above.

Die Komponenten mit verbreitertem Spektrum des komplexen Videosignals V, die von anderen Satelliten als dem GPS-Satelliten 12 kommen, weisen implizite Trägerfrequenzen auf, die ebenfalls nahe bei fo liegen, die jedoch um unterschiedliche Beträge verschoben sind, entsprechend den unterschiedlichen Satellitenbewegungen in bezug auf die Antenne 22, und ebenso entsprechend jeglichen Unterschieden zwischen den Offsets der Frequenzstandards in den verschiedenen Satelliten.The broadened spectrum components of the complex video signal V coming from satellites other than the GPS satellite 12 have implicit carrier frequencies that are also close to fo, but are shifted by different amounts, corresponding to the different satellite movements with respect to the antenna 22, and also corresponding to any differences between the offsets of the frequency standards in the different satellites.

Die Unterschiede zwischen den Frequenzen der fo-Träger, die implizit in den von unterschiedlichen GPS-Satelliten empfangenen Signalen enthalten sind, werden innerhalb des L1-Bandfo-Trägerphasendetektors 206 und innerhalb des L2-Band-fo- Trägerphasendetektors 208 dazu verwendet, die von dem GPS- Satelliten 12 empfangenen Signale von den Signalen zu trennen, die von unterschiedlichen Satelliten empfangen werden. Wie voranstehend unter Bezug auf Fig. 12 erwähnt, wird ein individueller Satelliten-Verfolgungskanal 32 innerhalb des Endgerätes 23 jedem Satelliten zugeordnet. Innerhalb des dem GPS-Satelliten 12 zugeordneten Satelliten-Verfolgungskanals 32 empfangen, wie in Fig. 6 gezeigt, der L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206 und der L2-Band-fo-Trägerphasendetektor 208 den Satelliten-spezifischen fo-Trägerphasenschätzwert 204, nämlich eine Vorhersage für die zeitabhängige Phase der fo-Träger, die implizit in den L1- und L2-Band-Signalen dieses bestimmten Satelliten enthalten sind. Die zeitliche Änderungsrate des fo-Trägerphasenschätzwertes 204 repräsentiert die vorhergesagte Frequenzverschiebung der fo-Träger, die implizit in den vom GPS-Satelliten 12 empfangenen Signalen enthalten sind.The differences between the frequencies of the fo carriers implicitly contained in the signals received from different GPS satellites are used within the L1 band fo carrier phase detector 206 and within the L2 band fo carrier phase detector 208 to separate the signals received from the GPS satellite 12 from the signals received from different satellites. As mentioned above with reference to Fig. 12, an individual satellite tracking channel 32 is assigned within the terminal 23 to each satellite. Within the satellite tracking channel 32 associated with the GPS satellite 12, as shown in Figure 6, the L1 band fo carrier phase detector 206 and the L2 band fo carrier phase detector 208 receive the satellite-specific fo carrier phase estimate 204, namely, a prediction for the time-dependent phase of the fo carriers implicitly contained in the L1 and L2 band signals of that particular satellite. The temporal rate of change of the fo carrier phase estimate 204 represents the predicted frequency shift of the fo carriers implicitly contained in the signals received from the GPS satellite 12.

Der fo-Trägerphasenschützwert 204 wird sowohl an den L1- Band-fo-Trägerphasendetektor 206 als auch an den L2-Bandfo-Trägerphasendetektor 208 angelegt, da theoretisch dieselben fo-Trägerfrequenzverschiebungen in beiden Bändern beobachtet werden sollten, abgesehen vom Vorhandensein irgendwelcher, sich zeitlich ändernder Dispersionseffekte in den Signalausbreitungswegen. Geringe Dispersionseffekte sind tatsächlich vorhanden, infolge der Ionosphäre und infolge der Mehrwegausbreitung. Im vorliegenden Zusammenhang sind diese Effekte allerdings normalerweise unwesentlich.The fo carrier phase guard value 204 is applied to both the L1 band fo carrier phase detector 206 and the L2 band fo carrier phase detector 208 because theoretically the same fo carrier frequency shifts should be observed in both bands, barring the presence of any time-varying dispersion effects in the signal propagation paths. Minor dispersion effects are in fact present, due to the ionosphere and due to multipath propagation. However, in the present context these effects are normally insignificant.

Wie nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 13 erläutert, wird der fo-Trägerphasenschätzwert 204, und daher die Frequenzvorhersage, die innerhalb des L1-Band-fo-Trägerphasendetektors 206 dazu verwendet wird, das Signal des GPS-Satelliten 12 von den Signalen anderer Satelliten zu unterscheiden, innerhalb des Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystems 196 aus dem kontinuierlich aktualisierten 30-Bit-C/A-Code- Gruppenverzögerungsschätzwert est 876 abgeleitet, der in dem Verzögerungsregister 842 enthalten ist. Der Grund für die Ableitung des fo-Trägerphasenschätzwertes 204 aus dem 30- Bit-C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert est 876 liegt darin, daß die zeitliche Änderung der L1-fo-Trägerphase ψL1 ähnlich ist wie jene der Gruppenverzögerung der C/A- Code-Modulation des L1-Signals von demselben Satelliten. Daher sollte die C/A-Code-Gruppenverzögerungsänderung, multipliziert mit der impliziten Trägerfrequenz fo, sich an die implizite Trägerphasenänderung annähern. Die erforderliche Multiplikation der Verzögerung durch die implizite Trägerfrequenz fo wird sinnvollerweise dadurch durchgeführt, daß die geeignete Stufe in der Kette geeigneter Zähler oder Teiler angezapft wird, welche das Verzögerungsregister 842 bilden, wie im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 13 gezeigt und erläutert ist.As explained below with reference to Figure 13, the fo carrier phase estimate 204, and hence the frequency prediction used within the L1 band fo carrier phase detector 206 to distinguish the GPS satellite 12 signal from the signals of other satellites, is derived within the phase and group delay register subsystem 196 from the continuously updated 30-bit C/A code group delay estimate est 876 contained in the delay register 842. The reason for deriving the fo carrier phase estimate 204 from the 30-bit C/A code group delay estimate est 876 is that the time variation of the L1 fo carrier phase ψL1 is similar to that of the group delay of the C/A code modulation of the L1 signal from the same satellite. Therefore, the C/A code group delay variation multiplied by the implicit carrier frequency fo should approximate the implicit carrier phase variation. The required multiplication of the delay by the implicit carrier frequency fo is conveniently accomplished by tapping the appropriate stage in the chain of appropriate counters or dividers forming the delay register 842, as shown and explained in detail with reference to FIG. 13.

Wie wiederum in Fig. 3 gezeigt ist, wird das komplexe Videosignal V von dem Funkfrequenz-Videofrequenz-Herunterwandler 76 an die Rekonstruktions- und Herunterwandlungsvorrichtung 86 für den L1-Band-fo-Träger angelegt, in welchem zwei grundlegende Operationen durchgeführt werden. Wie unter Bezug auf Fig. 5 erläutert wird, besteht die erste grundlegende Operation, die innerhalb der Rekonstruktions- und Herunterwandlungsvorrichtung 86 für den L1-Band-fo-Träger durchgeführt wird, darin, aus dem komplexen Videosignal V das komplexe, zusammengesetzte Signal S(L1) für den L1-Band-rekonstruierten fo-Träger zu rekonstruieren, welches ein zusammengesetztes Signal aus Komponenten mit kontinuierlichen Wellen darstellt, die rekonstruierte Träger genannt werden, und die L1- fo-impliziten Trägerwellen repräsentieren. Ein zweites zusammengesetztes Signal aus Komponenten mit kontinuierlichen Wellen erscheint zuerst am Ausgang des Mischers 150, der in Fig. 5 gezeigt ist, in welchem getrennte Spektralkomponenten des komplexen Videosignals V zusammengemischt werden.Referring again to Fig. 3, the complex video signal V from the radio frequency to video frequency downconverter 76 is applied to the L1 band fo carrier reconstruction and downconversion device 86, in which two basic operations are performed. As explained with reference to Fig. 5, the first basic operation performed within the L1 band fo carrier reconstruction and downconversion device 86 is to reconstruct from the complex video signal V the complex composite signal S(L1) for the L1 band reconstructed fo carrier, which is a composite signal of continuous wave components called reconstructed carriers, representing the L1 fo implicit carrier waves. A second composite signal of continuous wave components first appears at the output of mixer 150 shown in Fig. 5, in which separate spectral components of the complex video signal V are mixed together.

Die Phasen und Frequenzen der rekonstruierten Träger in diesem zweiten zusammengesetzten Signal beziehen sich auf die Phasen und Frequenzen der jeweiligen impliziten Träger der jeweiligen Signalkomponenten mit verbreitertem Spektrum, die von den jeweiligen Satelliten empfangen werden. Jeder rekonstruierte Träger weist die doppelte Phase und die doppelte Frequenz auf wie der jeweilige implizite Träger. Infolge der Frequenzverdoppelung weist das Schmalbandpaßfilter 152, welches in Fig. 5 gezeigt ist, eine Zentrumsfrequenz von 2 fo statt fo auf. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 5 erwähnt werden dann, um die Geschwindigkeitsanforderungen für nachfolgende Signalverarbeitungsschaltungen zu verringern, die rekonstruierten Träger in dem zweiten zusammengesetzten Signal 154 des Schmalbandpaßfilters 152 heruntergewandelt, von dem schmalen Band der Frequenzen mit einem Zentrum bei 2 fo auf ein schmales Band, welches ein Zentrum bei der Frequenz Null aufweist. Diese Herunterwandlung ergibt das komplexe, zusammengesetzte Signal S(L1) für den L1-Band-rekonstruierten fo-Träger, dessen Real- und Imaginärteil das phasengleiche Verbundsignal 88 für den rekonstruierten L1-Band-fo-Träger bzw. das Quadratur-phasenrekonstruierte L1-Band-fo-Trägerverbundsignal 90 ist.The phases and frequencies of the reconstructed carriers in this second composite signal relate to the phases and frequencies of the respective implicit carriers of the respective broadened spectrum signal components received from the respective satellites. Each reconstructed carrier has twice the phase and twice the frequency of the respective implicit carrier. As a result of the frequency doubling, the narrow band pass filter 152 shown in Fig. 5 has a center frequency of 2 fo instead of fo. As mentioned with reference to Fig. 5, in order to reduce the speed requirements for subsequent signal processing circuits, the reconstructed carriers in the second composite signal 154 of the narrow band pass filter 152 are then down-converted from the narrow band of frequencies centered at 2 fo to a narrow band centered at zero frequency. This downconversion yields the complex composite signal S(L1) for the L1 band reconstructed fo carrier, the real and imaginary parts of which are the in-phase composite signal 88 for the reconstructed L1 band fo carrier and the quadrature-phase reconstructed L1 band fo carrier composite signal 90, respectively.

Die Frequenzverschiebungen der impliziten fo-Träger infolge des Dopplereffektes und irgendwelcher Satellitenfrequenz- Standard-Offsets in bezug auf den Frequenzstandard 28 des Endgerätes 23, wie in Fig. 2 gezeigt, jedoch verdoppelt, bleiben bei dem Herunterwandlungsvorgang erhalten, der innerhalb der Rekonstruktions- und Herunterwandlungsvorrichtung 86 für den L1-Band-fo-Träger durchgeführt wird. Die Wirkung dieser Herunterwandlung besteht darin, daß die konstante 2 fo-Bezugsfrequenz und die Phase des Lokaloszillatorbezugseingangsssignals 160, in Fig. 5 gezeigt, von den jeweiligen Frequenzen und Phasen der rekonstruierten Träger subtrahiert wird.The frequency shifts of the implicit fo carriers due to the Doppler effect and any satellite frequency standard offsets with respect to the frequency standard 28 of the terminal 23, as shown in Fig. 2, but doubled, are preserved in the downconversion process performed within the L1 band fo carrier reconstruction and downconversion device 86. The effect of this downconversion is to subtract the constant 2 fo reference frequency and phase of the local oscillator reference input signal 160, shown in Fig. 5, from the respective frequencies and phases of the reconstructed carriers.

Wie in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt, sind das heruntergewandelte Verbundsignal 88 für den phasengleichen, rekonstruierten L1-Band-fo-Träger und das Quadratur-Phasenverbundsignal 90 für den rekonstruierten L1-Band-fo-Träger in dem Satz niederfrequenter Signale 30 enthalten, welcher jedem der mehreren, identischen Satelliten-Verfolgungskanäle eingegeben wird, beispielsweise dem Satelliten-Verfolgungskanal 32, der in Fig. 6 gezeigt ist. Wie voranstehend erläutert wählt innerhalb des Satelliten-Verfolgungskanals 32, welcher dem GPS- Satelliten 12 zugeordnet ist, der L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206 das bestimmte, rekonstruierte Trägersignal von dem GPS-Satelliten 12 aus, unter Verwendung der Satellitenspezifischen Frequenzvorhersage, die von dem Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 erzeugt wird, und durch die zeitliche Änderungsrate des fo-Trägerphasenschätzwertes 204 repräsentiert wird.As shown in FIGS. 2 and 3, the down-converted composite signal 88 for the in-phase reconstructed L1 band fo carrier and the quadrature phase composite signal 90 for the reconstructed L1 band fo carrier are included in the set of low frequency signals 30 that is input to each of the plurality of identical satellite tracking channels, such as the satellite tracking channel 32 shown in FIG. 6. As previously explained, within the satellite tracking channel 32 associated with the GPS satellite 12, the L1 band fo carrier phase detector 206 selects the particular reconstructed carrier signal from the GPS satellite 12 using the satellite specific frequency prediction generated by the phase and group delay register subsystem 196 and by the temporal rate of change of the fo carrier phase estimate 204 is represented.

Wie nunmehr aus Fig. 12 hervorgeht, vergleicht der L1-Bandfo-Trägerphasendetektor 206 die Phasenobservable ψL1 des L1-Band-fo-Trägers des GPS-Satelliten 12 mit dem fo-Trägerphasenschätzwert 204, und dies ergibt die L1-fo-Restphasenmessung 210. Auf entsprechende Weise vergleicht der L2- Band-fo-Trägerphasendetektor 208 die Phasenobservable ψL2 des L2-Band-fo-Trägers des GPS-Satelliten 12 mit dem fo- Trägerphasenschätzwert 204, und dies ergibt die L2-fo-Restphasenmessung 212. Da sowohl die L1- als auch die L2-betreffende fo-Restphasenmessung in bezug auf denselben fo-Trägerphasenschätzwert 204 bestimmt wird, zeigen sich sämtliche Fehler in diesem Schätzwert gemeinsam sowohl in den sich auf L1 als auch auf L2 beziehenden fo-Restphasenmessungen. Daher ist jede Differenz zwischen den sich auf L1 und den sich auf L2 beziehenden fo-Restphasenmessungen unempfindlich auf Fehler in dem fo-Trägerphasenschätzwert 204. Diese Unempfindlichkeit ist wichtig, da die Differenz zwischen den sich auf L1 und auf L2 beziehenden fo-Trägerphasenmessungen für jeden Satelliten von dem Echtzeitcomputer 40 dazu benutzt wird, den Betrag der Ionosphärenverzögerung und der Phasenverschiebung der Signale ohne Genauigkeitsverlust infolge von Ionosphäreneffekten zu bestimmen.Referring now to Fig. 12, the L1 band fo carrier phase detector 206 compares the phase observable ψL1 of the L1 band fo carrier of the GPS satellite 12 with the fo carrier phase estimate 204, and this yields the L1 fo residual phase measurement 210. Similarly, the L2 band fo carrier phase detector 208 compares the phase observable ψL2 of the L2 band fo carrier of the GPS satellite 12 with the fo carrier phase estimate 204, and this yields the L2 fo residual phase measurement 212. Since both the L1 and L2 related fo residual phase measurements are determined with respect to the same fo carrier phase estimate 204, any errors in this estimate are common to both the L1 and L2 related fo residual phase measurements. Therefore, any difference between the L1 and L2 related fo residual phase measurements is insensitive to errors in the fo carrier phase estimate 204. This insensitivity is important because the difference between the L1 and L2 related fo carrier phase measurements for each satellite is used by the real-time computer 40 to determine the amount of ionospheric delay and phase shift of the signals without loss of accuracy due to ionospheric effects.

Da das Lokaloszillator-Bezugseingangssignal 160, welches bei der Herunterwandlung verwendet wird, die in der Rekonstruktions- und Herunterwandlervorrichtung 86 für den L1-Band-fo- Träger durchgeführt wird, um S(L1) zu erzeugen, welches an den L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206 angelegt wird, von demselben 4 fo-Bezugssignal 26 von demselben Frequenzstandard 28 im Endgerät 23 abgeleitet wird, und welches auch in der Rekonstruktions- und Herunterwandlervorrichtung 96 für den L2-Band-fo-Träger zur Erzeugung von S(L2) verwendet wird, welches an den L2-Band-fo-Trägerphasendetektor 208 angelegt wird, zeigen sich irgendwelche Phasen- oder Frequenzänderungen des Frequenzstandards 28 ebenso gleich sowohl bei der L1-fo-Restphasenmessung 210 als auch der L2-fo-Restphasenmessung 212. Daher ist die Differenz zwischen den sich auf L1 und auf L2 beziehenden fo-Restphasenmessungen ebenfalls unempfindlich auf Phasen- und Frequenzänderungen des Frequenzstandards 28. Diese Unempfindlichkeit ist ebenfalls zur exakten Bestimmung des Betrages der Ionosphärenverzögerung und Phasenverschiebung der Signale des Satelliten wichtig, um Positionsinformation ohne Genauigkeitsverlust infolge von Ionosphäreneffekten zu bestimmen.Since the local oscillator reference input signal 160 used in the downconversion performed in the L1 band fo carrier reconstruction and downconversion device 86 to produce S(L1) which is applied to the L1 band fo carrier phase detector 206 is derived from the same 4 fo reference signal 26 from the same frequency standard 28 in the terminal 23 and which is also used in the L1 band fo carrier reconstruction and downconversion device 96 the L2 band fo carrier is used to generate S(L2) which is applied to the L2 band fo carrier phase detector 208, any phase or frequency changes of the frequency standard 28 will also be equally evident in both the L1 fo residual phase measurement 210 and the L2 fo residual phase measurement 212. Therefore, the difference between the L1 and L2 related fo residual phase measurements is also insensitive to phase and frequency changes of the frequency standard 28. This insensitivity is also important for accurately determining the amount of ionospheric delay and phase shift of the satellite's signals in order to determine position information without loss of accuracy due to ionospheric effects.

Man sieht leicht, daß aus demselben Grunde die Antenne 22 und das Endgerät 23 so aufgebaut und angeordnet werden sollten, daß allgemein jede Fehlerquelle, welche die L1-fo-Restphasenmessung 210 beeinflußt, dazu neigt, die L2-fo-Restphasenmessung 212 genau so zu beeinflussen. Aus den gleichen Gründen sollte das in Fig. 1 gezeigte Gesamtsystem zur Positionsermittlung ebenfalls so aufgebaut und angeordnet sein, daß jede Fehlerquelle, die irgendeine Messung irgendwelcher Satellitensignale beeinflußt, dazu neigt, auf gleiche Weise entsprechende Messungen sämtlicher anderen Satellitensignale zu beeinflussen.It will be readily seen that, for the same reason, the antenna 22 and the terminal 23 should be constructed and arranged so that, in general, any source of error affecting the L1 fo residual phase measurement 210 will tend to affect the L2 fo residual phase measurement 212 in the same way. For the same reasons, the overall position determination system shown in Fig. 1 should also be constructed and arranged so that any source of error affecting any measurement of any satellite signals will tend to affect corresponding measurements of all other satellite signals in the same way.

Wie wiederum aus Fig. 12 hervorgeht, werden das phasengleiche Verbundsignal 88 für den rekonstruierten L1-Band-fo-Träger und das Quadratur-Phasenverbundsignal 90 für den rekonstruierten L1-Band-fo-Träger als Eingangswerte an den Zeigerzählerrotator 240 an einem Eingang des L1-Band-fo-Trägerphasendetektors 206 angelegt. Zusätzlich wird der fo-Trägerphasenschätzwert 204 an den anderen Eingang des Zeigerzählerrotators 240 angelegt. Auf ähnliche Weise wie jene, die von dem in Fig. 7 gezeigten Zeigerzählerrotator 220 eingesetzt wird, dient der Zeigerzählerrotator 240 zum Subtrahieren einer Phase, in diesem Fall des fo-Trägerphasenschätzwertes 204, von dem komplexen Verbundsignal S(L1) für den L1-Band-rekonstruierten fo-Träger.Referring again to Fig. 12, the in-phase composite signal 88 for the reconstructed L1 band fo carrier and the quadrature phase composite signal 90 for the reconstructed L1 band fo carrier are applied as inputs to the phasor counter rotator 240 at one input of the L1 band fo carrier phase detector 206. In addition, the fo carrier phase estimate 204 is applied to the other input of the phasor counter rotator 240. In a similar manner to that provided by the When used with the phasor counter rotator 220 shown in Fig. 7, the phasor counter rotator 240 serves to subtract a phase, in this case the fo carrier phase estimate 204, from the complex composite signal S(L1) for the L1 band reconstructed fo carrier.

Wie unter Bezug auf Fig. 8 erläutert wird, läßt sich die Art und Weise der Phasensubtraktion als Gegendrehung des Verbundzeigers 89 für den L1-Band-rekonstruierten Träger verstehen, welcher das komplexe Verbundsignal S(L1) für den komplexen L1-Band-rekonstruierten fo-Träger repräsentiert. In dem komplexen Verbundsignal S(L1) für den L1-Band-rekonstruierten fo-Träger wird der Verbundzeiger 89 für den L1-Band-rekonstruierten Träger im Uhrzeigersinn gedreht, oder "entwickelt" oder "abgewickelt", und zwar um einen Winkel gleich dem fo- Trägerphasenschätzwert 204. Wie jedoch voranstehend unter Bezug auf den Zeigerzählerrotator 220 erwähnt werden nur zwei Bits dazu verwendet, jeden Zeiger zu repräsentieren, und das Ausgangssignal des Zeigerzählerrotators 240 ist nur ein Paar von Digitalsignalen mit einem Bit, nämlich der phasengleichen, entwickelten, rekonstruierten fo-Trägerrestphase 244 und der Quadratur-entwickelten, rekonstruierten fo-Trägerrestphase 246, die zusammengenommen nur den Quadranten des entwickelten, komplexen, zusammengesetzten, rekonstruierten Trägerrestphasensignals anzeigen.As explained with reference to Fig. 8, the manner of phase subtraction can be understood as counter-rotating the composite phasor 89 for the L1-band reconstructed carrier, which represents the complex composite signal S(L1) for the complex L1-band reconstructed fo carrier. In the complex composite signal S(L1) for the L1 band reconstructed fo carrier, the composite phasor 89 for the L1 band reconstructed carrier is rotated, or "unwrapped" or "unwrapped" clockwise by an angle equal to the fo carrier phase estimate 204. However, as mentioned above with reference to the phasor counter rotator 220, only two bits are used to represent each phasor, and the output of the phasor counter rotator 240 is only a pair of one-bit digital signals, namely the in-phase, developed, reconstructed fo carrier residual phase 244 and the quadrature developed, reconstructed fo carrier residual phase 246, which together indicate only the quadrant of the developed, complex, composite, reconstructed carrier residual phase signal.

Diese 2-Bit-Quadrantenanzeige kann als zu grob angesehen werden, angesichts der Positionsermittlungsgenauigkeit, die gewünscht ist. Die Phasenquantisierung eines Viertelzyklus entspricht einer Entfernungsquantisierung eines Viertels der Wellenlänge einer Funkwelle mit einer Frequenz gleich der rekonstruierten Trägerfrequenz 2 fo, oder etwa 10 Megahertz. Daher beträgt die Entfernungsquantisierung etwa 7,5 Meter, und der RMS-Quantisierungsfehler, der sich aus dem Quantisierungspegel geteilt durch die Quadratwurzel von 12 gibt, beträgt etwa 2 Meter. Es ist allerdings wichtig festzustellen, daß dieser Quantisierungspegel sich nur auf den Momentanwert der Phase bezieht.This 2-bit quadrant display may be considered too coarse, given the position determination accuracy that is desired. The phase quantization of a quarter cycle corresponds to a distance quantization of a quarter of the wavelength of a radio wave with a frequency equal to the reconstructed carrier frequency 2 fo, or about 10 megahertz. Therefore, the distance quantization is about 7.5 meters, and the RMS quantization error resulting from the quantization level divided by the square root of 12 is approximately 2 meters. It is important to note, however, that this quantization level refers only to the instantaneous value of the phase.

Wie nachstehend erläutert stammen Messungen der fo-Trägerphasenobservablen ψL1 durch den L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206 und ψL2 durch den L2-Band-fo-Trägerphasendetektor 208 von relativ langen Integrationen der entwickelten, rekonstruierten Trägerrestphasensignale her, vorzugsweise über Zeitintervalle von etwa 100 Sekunden. Während eines derartig langen Zeitintervalls ändert sich der fo-Trägerphasenschätzwert 204 typischerweise um sehr viele Phasenzyklen, und die Änderung ist verhältnismäßig ungleichförmig, infolge der Beschleunigungen des GPS-Satelliten 12 und der Antenne 22. Der fo-Trägerphasenschätzwert 204 dreht sich um einen vollen Zyklus, oder vier Quadranten, bei jeder 30-Meter-Änderung der Entfernung zwischen dem GPS-Satelliten 12 und der Antenne 22.As explained below, measurements of the fo carrier phase observables ψL1 by the L1 band fo carrier phase detector 206 and ψL2 by the L2 band fo carrier phase detector 208 come from relatively long integrations of the evolved reconstructed carrier residual phase signals, preferably over time intervals of about 100 seconds. During such a long time interval, the fo carrier phase estimate 204 typically changes by very many phase cycles, and the change is relatively non-uniform due to the accelerations of the GPS satellite 12 and antenna 22. The fo carrier phase estimate 204 rotates one full cycle, or four quadrants, for every 30 meter change in the distance between the GPS satellite 12 and antenna 22.

Die Projektion der Umlaufgeschwindigkeit des GPS-Satelliten 12 entlang der Beobachtungslinie zur Antenne 22 beträgt typischerweise einige Hundert Meter pro Sekunde, und ändert sich typischerweise mit einer Rate in der Größenordnung von 0,1 Meter pro Sekunde pro Sekunde. Jede Beschleunigung der Antenne 22 trägt selbstverständlich ebenfalls dazu bei. Daher wird der der Quantisierung zugeordnete Fehler über eine verhältnismäßig große Anzahl von Viertelzyklus-Phasenschritten während des Verlaufs jeder Integration von 100 Sekunden gemittelt, so daß das Quantisierungsrauschen, welches bei der Phasenmessung verbleibt, wahrscheinlich vernachlässigbar ist.The projection of the orbital velocity of the GPS satellite 12 along the line of sight to the antenna 22 is typically a few hundred meters per second, and typically changes at a rate of the order of 0.1 meters per second per second. Any acceleration of the antenna 22 will of course also contribute to this. Therefore, the error associated with quantization is averaged over a relatively large number of quarter-cycle phase steps during the course of each 100 second integration, so that the quantization noise remaining in the phase measurement is likely to be negligible.

Es ist ebenfalls für die Verringerung des Quantisierungsfehlers in dem L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206 und in dem L2-Band-fo-Trägerphasendetektor 208 wesentlich, daß das Signal/Rausch-Verhältnis des Verbundsignals 88 für den phasengleichen, rekonstruierten L1-Band-fo-Träger und das Verbundsignal 90 für den Quadratur-phasenrekonstruierten L1-Bandfo-Träger extrem niedrig ist. Der große Anteil an Rauschen in diesen Signalen wirkt so, daß er die Quantisierung verschmiert oder "zum Zittern bringt".It is also for reducing the quantization error in the L1-band fo carrier phase detector 206 and in the L2-band fo carrier phase detector 208, it is essential that the signal-to-noise ratio of the composite signal 88 for the in-phase reconstructed L1 bandfo carrier and the composite signal 90 for the quadrature-phase reconstructed L1 bandfo carrier is extremely low. The large amount of noise in these signals acts to smear or "jitter" the quantization.

Wie voranstehend erläutert subtrahiert der Zeigerzählerrotator 240 von dem komplexen Verbundsignal S(L1) für den L1-Bandrekonstruierten fo-Träger einen Phasenbetrag, der gleich dem momentanen Schätzwert der Phase der Komponente des ausgewählten Satelliten ist, um eine Auswahl dieser rekonstruierten Trägerkomponente von dem komplexen Verbundsignal S(L1) für den L1-Band-rekonstruierten fo-Träger zu ermöglichen. Infolge dieser im wesentlichen kontinuierlichen Phasensubtraktion ist die Phase der rekonstruierten Trägerkomponente des ausgewählten Satelliten in dem entwickelten, komplexen Ausgangssignal des Zeigerzählerrotators 240 im wesentlichen stationär. Daher kann eine Langzeitintegration des entwickelten, komplexen Ausgangssignals des Zeigerzählerrotators 240 dazu verwendet werden, das gewünschte Signal auszuwählen, und Rauschen und Signale von anderen Satelliten zu unterdrücken. Die Signale anderer Satelliten werden deswegen unterdrückt, da sich ihre entwickelten Zeiger während des Integrationszeitintervalls weiter drehen werden. Die entgegengesetzte Drehung, die von dem Zeigerzählerrotator 240 durchgeführt wird, führt nicht dazu, daß ihre Zeiger stationär werden, da der fo-Trägerphasenschätzwert 204 nicht für sie abgeleitet wurde, und sie unterschiedliche Frequenzverschiebungen aufweisen.As previously explained, the phasor counter rotator 240 subtracts from the complex composite signal S(L1) for the L1 band reconstructed fo carrier an amount of phase equal to the instantaneous estimate of the phase of the component of the selected satellite to enable selection of that reconstructed carrier component from the complex composite signal S(L1) for the L1 band reconstructed fo carrier. As a result of this substantially continuous phase subtraction, the phase of the reconstructed carrier component of the selected satellite is substantially stationary in the evolved complex output signal of the phasor counter rotator 240. Therefore, long term integration of the evolved complex output signal of the phasor counter rotator 240 can be used to select the desired signal and reject noise and signals from other satellites. The signals of other satellites are rejected because their evolved phasors will continue to rotate during the integration time interval. The opposite rotation performed by the phasor counter rotator 240 does not cause their phasors to become stationary because the fo carrier phase estimate 204 was not derived for them and they have different frequency shifts.

Zur Durchführung dieses Satellitenauswahlvorgangs werden die Restphasen 244 für den phasengleichen, entwickelten, rekonstruierten fo-Träger sowie die Restphase 240 für den Quadratur-entwickelten, rekonstruierten fo-Träger von dem Zeigerzählerrotator 240 als Eingangswerte an den phasengleichen Integrator 248 und den Quadratur-Integrator 250 angelegt. Der phasengleiche Integrator 248 und der Quadratur-Integrator 250 können auf dieselbe Weise aufgebaut sein wie die in Fig. 10 gezeigten 0,01-Sekunden-Integratoren 324 und 328, mit der Ausnahme, daß ihre Integrationsperiode auf 100 Sekunden statt auf 0,01 Sekunden eingestellt ist. Da die Bandbreiten der Signale, die in dem L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206 verarbeitet werden, so viel kleiner sind als jene, die bei dem Korrelator 226 betroffen sind, ist es möglich, Logikschaltungen in dem Zeigerzählerrotator 240, dem phasengleichen Integrator 248, und in dem Quadratur-Integrator 250 zu verwenden, die mit entsprechend niedrigerer Rate getaktet werden.To perform this satellite selection process, the residual phases 244 for the in-phase, developed, reconstructed fo carrier and the residual phase 240 for the Quadrature-developed, reconstructed fo carriers from the phasor counter rotator 240 are applied as inputs to the in-phase integrator 248 and the quadrature integrator 250. The in-phase integrator 248 and the quadrature integrator 250 may be constructed in the same manner as the 0.01 second integrators 324 and 328 shown in Fig. 10, except that their integration period is set to 100 seconds instead of 0.01 seconds. Because the bandwidths of the signals processed in the L1 band fo carrier phase detector 206 are so much smaller than those involved in the correlator 226, it is possible to use logic circuits in the phasor counter rotator 240, the in-phase integrator 248, and the quadrature integrator 250 that are clocked at a correspondingly lower rate.

Es gibt zwei Gründe für die Verwendung einer verlängerten Integrationsperiode in dem L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206. Zunächst einmal ist, wie bereits erwähnt, das Signal/Rausch- Verhältnis zwischen den rekonstruierten fo-Trägersignalen in dem komplexen Verbundsignal S(L1) für den L1-Band-rekonstruierten fo-Träger und dem Hintergrundrauschen erheblich niedriger als das Signal/Rausch-Verhältnis der 308-fo-Trägersignale, die in den Mischern 302 und 308 in dem Detektor 350 gemäß Fig. 10 für das zeitgleiche Signal rekonstruiert werden, da die letztgenannten Signale stark durch die Korrelation mit dem angepaßten Lokalmodell des Satelliten-spezifischen C/A-Codes verstärkt werden.There are two reasons for using an extended integration period in the L1 band fo carrier phase detector 206. First, as already mentioned, the signal-to-noise ratio between the reconstructed fo carrier signals in the complex composite signal S(L1) for the L1 band reconstructed fo carrier and the background noise is considerably lower than the signal-to-noise ratio of the 308 fo carrier signals reconstructed in the mixers 302 and 308 in the detector 350 of Fig. 10 for the simultaneous signal, since the latter signals are strongly enhanced by the correlation with the fitted local model of the satellite-specific C/A code.

Das niedrigere Signal/Rausch-Verhältnis in dem komplexen Verbundsignal S(L1) für den L1-Band-rekonstruierten fo-Träger rührt von der Tatsache her, daß die Trägerrekonstruktion, die durch die Rekonstruktions- und Herunterwandlervorrichtung 86 für den L1-Band-fo-Träger durchgeführt wird, ohne den Vorzug der Kenntnis oder der Verwendung des Codes durchgeführt wird, welcher diesem Träger zugeordnet ist. Die längere Integrationsperiode, die bei dem phasengleichen Integrator 248 und dem Quadratur-Integrator 250 verwendet wird, verbessert das effektive Signal/Rausch-Verhältnis durch Verringerung der äquivalenten Rauschbandbreite auf 0,01 Hertz. Mit anderen Worten wird durch die Integration das Rauschen abgeschwächt, welches in der Restphase 244 für den phasengleichen, entwickelten, rekonstruierten fo-Träger und der Restphase 246 für den Quadratur-entwickelten, rekonstruiertenThe lower signal-to-noise ratio in the complex composite signal S(L1) for the L1-band reconstructed fo carrier arises from the fact that the carrier reconstruction performed by the reconstruction and downconversion device 86 for the L1-band fo carrier is performed without the benefit of knowledge or use of the code associated with that carrier. The The longer integration period used in the in-phase integrator 248 and the quadrature integrator 250 improves the effective signal-to-noise ratio by reducing the equivalent noise bandwidth to 0.01 Hertz. In other words, the integration attenuates the noise contained in the residual phase 244 for the in-phase evolved reconstructed fo carrier and the residual phase 246 for the quadrature evolved reconstructed

fo-Träger enthalten ist, wobei sich die Frequenzen um mehr als etwa 0,01 Hertz von der Frequenz des ausgewählten rekonstruierten Trägers unterscheiden.fo carriers, with frequencies differing by more than about 0.01 Hertz from the frequency of the selected reconstructed carrier.

Ein ebenso wichtiger Grund für die verlängerte Integrationsperiode, die bei dem L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206 verwendet wird, besteht in der Unterdrückung der rekonstruierten fo-Trägersignale von den anderen GPS-Satelliten, die nicht durch diesen bestimmten Satelliten-Verfolgungskanal 32 verfolgt werden. Wie voranstehend erläutert unterscheiden sich die Dopplerverschiebungen der rekonstruierten fo-Trägersignale von den verschiedenen GPS-Satelliten im allgemeinen innerhalb eines Bereiches von plus und minus 30 Hertz. Der fo-Trägerphasenschätzwert 204, der an den Zeigerzählerrotator 240 angelegt wird, ändert sich zeitlich mit einer Rate, welche die Dopplerverschiebung des GPS-Satelliten 12 widerspiegelt, welchem der Satelliten-Verfolgungskanal 32 zugeordnet ist.An equally important reason for the extended integration period used in the L1 band fo carrier phase detector 206 is to reject the reconstructed fo carrier signals from the other GPS satellites that are not tracked by that particular satellite tracking channel 32. As explained above, the Doppler shifts of the reconstructed fo carrier signals from the various GPS satellites generally differ within a range of plus and minus 30 hertz. The fo carrier phase estimate 204 applied to the pointer counter rotator 240 changes in time at a rate that reflects the Doppler shift of the GPS satellite 12 with which the satellite tracking channel 32 is associated.

Die Dopplerverschiebung jedes bestimmten 2 fo-rekonstruierten Trägersignals ist gleich der Frequenz 2fo, multipliziert mit der Zeitableitung der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ. Ändert sich der 30-Bit-C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 876, der in dem Verzögerungsregister 842 enthalten ist, so ändert sich auch der fo-Trägerphasenschätzwert 204, der von dem komplexen Verbundsignal S(L1) des L1-Band-rekonstruierten fo-Trägers subtrahiert wird.The Doppler shift of any particular 2fo reconstructed carrier signal is equal to the frequency 2fo multiplied by the time derivative of the C/A code group delay observable τ. As the 30-bit C/A code group delay estimate τest 876 contained in the delay register 842 changes, the fo carrier phase estimate 204 obtained from the complex composite signal S(L1) also changes. of the L1-band reconstructed fo carrier is subtracted.

Auf diese Weise läßt sich erkennen, daß der Zeigerzählerrotator 240 eine Frequenzverschiebung an das komplexe Verbundsignal S(L1) für den L1-Band-rekonstruierten fo-Träger anlegt, mit gleicher Größe und entgegengesetztem Vorzeichen wie die Dopplerverschiebung, die für den GPS-Satelliten 12 zu diesem Zeitpunkt charakteristisch ist, abhängig nur von der Genauigkeit des fo-Trägerphasenschätzwertes 204.In this way, it can be seen that the phasor counter rotator 240 applies a frequency shift to the complex composite signal S(L1) for the L1 band reconstructed fo carrier, of equal magnitude and opposite sign to the Doppler shift characteristic of the GPS satellite 12 at that time, depending only on the accuracy of the fo carrier phase estimate 204.

Daher hat die Drehung des Zeigers für den L1-Band-rekonstruierten fo-Träger des GPS-Satelliten 12 praktisch angehalten, angezeigt durch die 1-Bit-Ausgangssignale des Zeigerzählerrotators 240, nämlich die phasengleiche, entwickelte, rekonstruierte fo-Trägerrestphase 240 und die Quadraturentwickelte, rekonstruierte fo-Trägerrestphase 246, wogegen sich die fo-Trägerzeiger von anderen GPS-Satelliten weiter drehen. Ihre Drehraten sind gleich den Differenzen zwischen ihren Frequenzverschiebungen und der Frequenz des fo-Trägerphasenschätzwertes 204.Therefore, the rotation of the phasor for the L1 band reconstructed fo carrier of GPS satellite 12 has essentially stopped, as indicated by the 1-bit outputs of phasor counter rotator 240, namely the in-phase evolved reconstructed fo carrier residual phase 240 and the quadrature evolved reconstructed fo carrier residual phase 246, whereas the fo carrier phasors of other GPS satellites continue to rotate. Their rotation rates are equal to the differences between their frequency shifts and the frequency of the fo carrier phase estimate 204.

Wie voranstehend erläutert beträgt die Filterbandbreite, die effektiv durch die Integration über 100 Sekunden erzielt wird, etwa 0,01 Hertz. Dieser Wert ist etwa 1/3000-stel der maximalen Größe der Dopplerverschiebung von etwa 30 Hertz. Daher liegt die meiste Zeit nur die gewünschte L1-Band-rekonstruierte fo-Trägerkomponente innerhalb des Durchlaßbandes des 0,01 Hertz-Bandbreitenfilters, welches durch den phasengleichen Integrator 248 und den Quadratur-Integrator 250 gebildet wird.As explained above, the filter bandwidth effectively achieved by integrating for 100 seconds is about 0.01 Hertz. This value is about 1/3000th of the maximum Doppler shift magnitude of about 30 Hertz. Therefore, most of the time only the desired L1 band reconstructed fo carrier component lies within the passband of the 0.01 Hertz bandwidth filter formed by the in-phase integrator 248 and the quadrature integrator 250.

Manchmal ergibt sich selbstverständlich, daß ein rekonstruierter fo-Träger eines anderen Satelliten dieselbe Dopplerverschiebung innerhalb von 0,01 Hertz wie der GPS-Satellit 12 aufweist. Allerdings sind diese Momente unregelmäßig, und die Dopplerverschiebungen zweier unterschiedlicher Satelliten bleiben nicht über einen sehr langen Zeitraum innerhalb von 0,01 Hertz gleich. Es ist insbesondere wesentlich, daß die Dopplerverschiebungen zweier unterschiedlicher Satelliten im allgemeinen nicht innerhalb von 0,01 Hertz über einen so langen Zeitraum wie 100 Sekunden gleich bleiben. Daher wird tatsächlich die L1-Band-rekonstruierte fo-Trägerkomponente von dem GPS-Satelliten 12 ausgewählt und das Signal irgendeines anderen Satelliten wird unterdrückt, durch die Integrationen von 100 Sekunden, die durch den phasengleichen Integrator 248 und den Quadratur-Integrator 250 durchgeführt werden.Sometimes it is obvious that a reconstructed fo carrier from another satellite has the same Doppler shift within 0.01 Hertz as the GPS satellite 12. However, these moments are irregular and the Doppler shifts of two different satellites do not remain equal to within 0.01 hertz for a very long period of time. It is particularly important that the Doppler shifts of two different satellites generally do not remain equal to within 0.01 hertz for a period as long as 100 seconds. Therefore, in effect, the L1 band reconstructed fo carrier component from the GPS satellite 12 is selected and the signal from any other satellite is rejected by the 100 second integrations performed by the in-phase integrator 248 and the quadrature integrator 250.

Das Ausgangssignal 252 des phasengleichen Integrators und das Ausgangssignal 254 des Quadratur-Integrators können als Realbzw. als Imaginärteil einer komplexen Zahl angesehen werden, deren Winkel die gewünschte Messung der L1-fo-Trägerrestphase ist. Um diese Phase zu ermitteln, werden das Ausgangssignal 252 des phasengleichen Integrators und das Ausgangssignal 254 des Quadratur-Integrators in den 4-Quadranten- Invers-Tangens-Generator 256 eingegeben, dessen Ausgangssignal die L1-fo-Trägerrestphasenmessung 210 ist. Der Vier- Quadranten-Invers-Tangens-Generator 256 kann ebenso aufgebaut sein und praktisch auf dieselbe Weise arbeiten wie der in Fig. 10 gezeigte Zwei-Quadranten-Invers-Tangens-Funktionsgenerator 334.The in-phase integrator output 252 and the quadrature integrator output 254 can be viewed as the real and imaginary parts, respectively, of a complex number whose angle is the desired measurement of the L1-fo carrier residual phase. To determine this phase, the in-phase integrator output 252 and the quadrature integrator output 254 are input to the four-quadrant inverse tangent generator 256 whose output is the L1-fo carrier residual phase measurement 210. The four-quadrant inverse tangent generator 256 can be constructed and operate in virtually the same manner as the two-quadrant inverse tangent function generator 334 shown in Figure 10.

Der Vier-Quadranten-Invers-Tangens-Generator 256 erzeugt die L1-fo-Trägerrestphasenmessung 210 gleich dem Winkel in dem Bereich minus ein halber Zyklus bis plus ein halber Zyklus, dessen Sinus folgendermaßen istThe four quadrant inverse tangent generator 256 produces the L1-fo carrier residual phase measurement 210 equal to the angle in the range minus one-half cycle to plus one-half cycle, whose sine is as follows

Q/(I² + Q²)1/2Q/(I² + Q²)1/2

dessen Kosinus gleichwhose cosine is equal to

I/(I² + Q²)1/2I/(I² + Q²)1/2

ist, und dessen Tangens gleich Q/T ist, wobei I das Ausgangssignal 252 des phasengleichen Integrators und Q das Ausgangssignal 254 des Quadratur-Integrators ist, wie aus Fig. 12 hervorgeht. Es wird darauf hingewiesen, daß dieser Invers- Tangens-Funktionsgenerator ein Ergebnis mit einem Bereich von vier Quadranten oder einem Zyklus erzeugt, wogegen die Invers- Tangens-Erzeugung, die von dem in Fig. 10 gezeigten Zwei-Quadranten-Invers-Tangens-Funktionsgenerator 334 durchgeführt wird, ein Ergebnis mit einem Bereich von zwei Quadranten oder einem halben Zyklus ergibt. In dem Vier-Quadranten-Invers- Tangens-Generator 256 ist die Erzeugung einer Vier-Quadranten-Tangensfunktion nützlich und vorzuziehen, da die rekonstruierte fo-Trägerrestkomponente, die in dem Ausgangssignal 252 des phasengleichen Integrators und dem Ausgangssignal 254 des Quadratur-Integrators vorhanden ist, keine Phasenumkehrungen infolge einer Telemetriemodulation aufweist. Da jedoch die Phase des fo-Trägers, der implizit in dem phasengleichen, rekonstruierten L1-Band-fo-Trägerverbundsignal 88 sowie dem Quadratur-phasenrekonstruierten L1-Bandfo-Trägerverbundsignal 90 enthalten ist, welche in den L1- Band-fo-Trägerphasendetektor 206 eingegeben werden, durch den Trägerrekonstruktionsvorgang verdoppelt wurde, die von dem L1-Band-fo-Trägerrestphasendetektor 206 durchgeführt wird, repräsentiert die L1-fo-Trägerrestphasenmessung 210 von dem Vier-Quadranten-Invers-Tangensgenerator 256 die Phase des impliziten fo-Trägers eindeutig modulo 0,5 Zyklen.and whose tangent is equal to Q/T, where I is the output 252 of the in-phase integrator and Q is the output 254 of the quadrature integrator, as shown in Fig. 12. Note that this inverse tangent function generator produces a result with a range of four quadrants or one cycle, whereas the inverse tangent generation performed by the two quadrant inverse tangent function generator 334 shown in Fig. 10 produces a result with a range of two quadrants or one-half cycle. In the four-quadrant inverse tangent generator 256, the generation of a four-quadrant tangent function is useful and preferable because the reconstructed fo carrier residual component present in the in-phase integrator output 252 and the quadrature integrator output 254 does not exhibit phase reversals due to telemetry modulation. However, since the phase of the fo carrier implicitly contained in the in-phase reconstructed L1 band fo carrier composite signal 88 and the quadrature phase reconstructed L1 band fo carrier composite signal 90 input to the L1 band fo carrier phase detector 206 has been doubled by the carrier reconstruction process performed by the L1 band fo carrier residual phase detector 206, the L1 fo carrier residual phase measurement 210 from the four quadrant inverse tangent generator 256 uniquely represents the phase of the implicit fo carrier modulo 0.5 cycles.

Fig. 13Fig. 13

In Fig. 13 ist nunmehr im einzelnen das Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 gezeigt, welches voranstehend unter Bezug auf Fig. 6 erläutert wurde. Da sich das Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 im Herz des Betriebes des Endgerätes 23 befindet, ist für ein klares Verständnis der vorliegenden Erfindung eine Würdigung der Art und Weise der Wechselwirkung zwischen dem Phasen und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 und anderen Abschnitten des Endgerätes 23 nützlich.In Fig. 13, the phase and group delay register subsystem 196 is shown in detail, which was previously explained with reference to Fig. 6. Since the Because the phase and group delay register subsystem 196 is at the heart of the operation of the terminal 23, an appreciation of the manner in which the phase and group delay register subsystem 196 interacts with other portions of the terminal 23 is useful for a clear understanding of the present invention.

Wie voranstehend unter Bezug auf Fig. 6 erwähnt, führt das Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 einen Hauptanteil des Betriebs des Satelliten-Verfolgungskanals 32 durch. Innerhalb des Satelliten-Verfolgungskanals 32 werden die Phase und die Verzögerungen, die in den GPS-Signalen 15 von dem GPS-Satelliten 12 enthalten sind, verfolgt. Phasen- und Verzögerungsmessungen 202, die in den Messungen 42 enthalten sind, werden von dem Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 erzeugt und an den Echtzeitcomputer 40 angelegt. Das Phasen- und Gruppenverzögerungsregister- Subsystem 196 empfängt, eingeschlossen innerhalb des Schätzwertes 38, einen Gruppenverzögerungsanfangswert 37 und einen Frequenzschätzwert 39 von dem Echtzeitcomputer 40.As mentioned above with reference to Figure 6, the phase and group delay register subsystem 196 performs a major portion of the operation of the satellite tracking channel 32. Within the satellite tracking channel 32, the phase and delays contained in the GPS signals 15 from the GPS satellite 12 are tracked. Phase and delay measurements 202 contained in the measurements 42 are generated by the phase and group delay register subsystem 196 and applied to the real-time computer 40. The phase and group delay register subsystem 196 receives, included within the estimate 38, a group delay initial value 37 and a frequency estimate 39 from the real-time computer 40.

Weiterhin erzeugt das Phasen- und Gruppenverzögerungsregister- Subsystem 196 den 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 und den C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 194, die beide als Eingangswerte an den Detektor 190 für die 308-fo- Trägerphase und den C/A-Code-Verzögerungsfehler angelegt werden.Furthermore, the phase and group delay register subsystem 196 generates the 308 fo carrier phase estimate φest 192 and the C/A code group delay estimate τest 194, both of which are applied as inputs to the 308 fo carrier phase and C/A code delay error detector 190.

Wie voranstehend unter Bezug auf Fig. 9 erwähnt, stellt der 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 einen Schätzwert der Phase Modulo einem Zyklus dar. Das Halbzkylusbit 812 und das Viertelzyklusbit 814 zeigen zusammengenommen nur den Quadranten des 308-fo-Trägerphasenschätzwertes Φest 192 an.As mentioned above with reference to Figure 9, the 308 fo carrier phase estimate Φest 192 represents an estimate of the phase modulo one cycle. The half cycle bit 812 and the quarter cycle bit 814 together indicate only the quadrant of the 308 fo carrier phase estimate Φest 192.

Entsprechend liegt der C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 194 Modulo einer Millisekunde vor, also einer Periode der C/A-Code-Funktion. Daher stellt der C/A-Code- Gruppenverzögerungsschätzwert τest 194 nur den Bruchteilsperiodenanteil des Gruppenverzögerungsschätzwertes für den 308-fo-Trägerphasen- und C/A-Code-Verzögerungsfehlerdetektor 190 zur Verfügung.Accordingly, the C/A code group delay estimate τest 194 is modulo one millisecond, i.e. one period of the C/A code function. Therefore, the C/A code group delay estimate τest 194 provides only the fractional period portion of the group delay estimate to the 308 fo carrier phase and C/A code delay error detector 190.

Der 308-fo-Trägerphasen- und C/A-Code-Verzögerungsfehlerdetektor 190 ermittelt die Differenz zwischen der Observablen Φ für die implizit enthaltene 308-fo-Trägerphase, und dem 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192, Modulo einen halben Zyklus, und erzeugt ein Phasenfehlersignal 198. Entsprechend ermittelt der 308-fo-Trägerphasen- und C/A-Code- Verzögerungsfehlerdetektor 190 die Differenz zwischen der Observablen τ für die C/A-Code-Gruppenverzögerung und den C/A- Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 194 fest, Modulo einer Millisekunde, und erzeugt das Verzögerungsfehlersignal 200.The 308 fo carrier phase and C/A code delay error detector 190 determines the difference between the implicitly contained 308 fo carrier phase observable φ and the 308 fo carrier phase estimate φest 192, modulo one-half cycle, and generates a phase error signal 198. Similarly, the 308 fo carrier phase and C/A code delay error detector 190 determines the difference between the C/A code group delay observable τ and the C/A code group delay estimate τest 194, modulo one millisecond, and generates the delay error signal 200.

Das Phasenfehlersignal 198 und das Verzögerungsfehlersignal 200 werden an das Phasen- und Gruppenverzögerungsregister- Subsystem 196 angelegt, um sowohl eine Phasenverfolgungsrückkopplungsschleife zu bilden, also eine phasenverriegelte Schleife, als auch eine Verzögerungsverfolgungsrückkopplungsschleife, also eine verzögerungsverriegelte Schleife.The phase error signal 198 and the delay error signal 200 are applied to the phase and group delay register subsystem 196 to form both a phase tracking feedback loop, i.e., a phase-locked loop, and a delay tracking feedback loop, i.e., a delay-locked loop.

Wie mit mehr Einzelheiten unter Bezug auf Fig. 7 erläutert ist, werden das phasengleiche Videosignal 82 und das Quadratur-Videosignal 84, die durch den komplexen Videozeiger 83 repräsentiert werden, mit dem 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192 durch den Zeigerzählerrotator 220 korreliert, um das entwickelte, komplexe Videosignal U zu erzeugen, welches durch den entwickelten, komplexen Videozeiger 223 repräsentiert wird, und welches dann im Korrelator 226 mit dem 1-Bit-C/A-Code-Lokalmodell 228 kreuzkorreliert wird, um das Phasenfehlersignal 198 zu erzeugen. Das 1-Bit-C/A-Code- Lokalmodell 228, welches für den GPS-Satelliten 12 spezifisch ist, wird durch den C/A-Code-Generator 230 mit der geeigneten Verzögerung unter der Steuerung des C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwertes τest 194 erzeugt.As explained in more detail with reference to FIG. 7, the in-phase video signal 82 and the quadrature video signal 84 represented by the complex video phasor 83 are correlated with the 308-fo carrier phase estimate φest 192 by the phasor counter rotator 220 to produce the evolved complex video signal U represented by the evolved complex video phasor 223. , and which is then cross-correlated in correlator 226 with the 1-bit C/A code local model 228 to produce the phase error signal 198. The 1-bit C/A code local model 228, which is specific to the GPS satellite 12, is generated by the C/A code generator 230 with the appropriate delay under the control of the C/A code group delay estimate τest 194.

Wie nunmehr wieder aus Fig. 6 hervorgeht, stellt das Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 weiterhin einen fo-Trägerphasenschätzwert 204 für den L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206 und den L2-Band-fo-Trägerphasendetektor 208 zur Verfügung. Der fo-Trägerphasenschätzwert 204 liegt vor in Form von Modulo einem halben Zyklus der Schwingung bei fo, also einem Zyklus bei 2 fo, und weist eine 2-Bit- Digitalform auf, ähnlich dem 30 8-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192. Der fo-Trägerphasenschätzwert 204 versorgt den L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206 und den L2-Band-fo- Trägerphasendetektor 208 mit einem Schätzwert für den Quadranten des L1-Band-rekonstruierten fo-Trägerzeigers 8912, der in Fig. 8D gezeigt ist.Referring now again to Figure 6, the phase and group delay register subsystem 196 further provides a fo carrier phase estimate 204 to the L1 band fo carrier phase detector 206 and the L2 band fo carrier phase detector 208. The fo carrier phase estimate 204 is in the form of modulo one-half cycle of oscillation at fo, i.e. one cycle at 2 fo, and has a 2-bit digital form similar to the 30 8 fo carrier phase estimate φest 192. The fo carrier phase estimate 204 provides the L1 band fo carrier phase detector 206 and the L2 band fo carrier phase detector 208 with an estimate for the quadrant of the L1 band reconstructed fo carrier phasor 8912 shown in Fig. 8D.

Der L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206 erzeugt die L1-fo- Trägerrestphasenmessung 210 gleich der Differenz, gemittelt über 100 Sekunden, und Modulo einen halben Zyklus, zwischen der L1-Band-impliziten fo-Trägerphasenobservablen ψL1, die implizit in dem L1-Band-Abschnitt der GPS-Signale 15 von dem GPS-Satelliten 12 enthalten ist, und dem fo-Trägerphasenschätzwert 204. Entsprechend erzeugt der L2-Band-fo-Trägerphasendetektor 208 eine L2-fo-Trägerrestphasenmessung 212 gleich der Differenz, Modulo einen halben Zyklus, zwischen der L2-Band-impliziten fo-Trägerphasenobservablen ψL2, die implizit in dem L2-Band-Abschnitt der GPS-Signale 15 von dem GPS-Satelliten 12 enthalten ist, und dem fo-Trägerphasenschätzwert 204.The L1 band fo carrier phase detector 206 produces the L1 fo carrier residual phase measurement 210 equal to the difference, averaged over 100 seconds, and modulo one-half cycle, between the L1 band implicit fo carrier phase observable ψL1 implicitly contained in the L1 band portion of the GPS signals 15 from the GPS satellite 12 and the fo carrier phase estimate 204. Similarly, the L2 band fo carrier phase detector 208 produces an L2 fo carrier residual phase measurement 212 equal to the difference, modulo one-half cycle, between the L2 band implicit fo carrier phase observable ψL2 implicitly contained in the L2 band portion of the GPS signals 15 from the GPS satellite 12 and the fo carrier phase estimate 204.

In Fig. 13 ist nunmehr das Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 mit mehr Einzelheiten gezeigt. Das Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 enthält zwei hauptsächliche Subsysteme, das Phasenregister 840 und das Verzögerungsregister 842.Referring now to Figure 13, the phase and group delay register subsystem 196 is shown in more detail. The phase and group delay register subsystem 196 includes two main subsystems, the phase register 840 and the delay register 842.

Das Phasenregister 840 ist in zwei Teile unterteilt, das Phasenregister-Unterteil 844 und das Phasenregister-Oberteil 846. Das Phasenregister 840 enthält den binären 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 856 mit 48 Bit, welcher den Phasenschätzwert 852 mit 16 niedrigstwertigen Bits enthält, der durch das Phasenregister-Unterteil 844 erzeugt wird oder darin enthalten ist, und den Phasenschätzwert 854 mit 32 höchstwertigen Bits, der durch das Phasenregister-Oberteil 846 erzeugt wird oder darin enthalten ist. Das höchstwertige Bit (MSB) 848, welches von dem Phasenregister-Unterteil 844 erzeugt wird oder darin enthalten ist, repräsentiert ein Viertel eines Zyklus der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ. Das niedristwertige Bit (LSB) 850, welches von dem Phasenregister-Oberteil 846 erzeugt wird oder darin enthalten ist, repräsentiert eine Hälfte eines Zyklus der 308-foimplizit-Trägerphasenobservablen Φ.The phase register 840 is divided into two parts, the phase register lower part 844 and the phase register upper part 846. The phase register 840 contains the 48-bit binary 308-fo carrier phase estimate Φest 856, which includes the 16 least significant bit phase estimate 852 generated by or contained within the phase register lower part 844, and the 32 most significant bit phase estimate 854 generated by or contained within the phase register upper part 846. The most significant bit (MSB) 848 generated by or contained within the phase register lower part 844 represents one-quarter of a cycle of the 308-fo implicit carrier phase observable Φest 856. The least significant bit (LSB) 850 generated by or contained in the phase register top 846 represents one-half of a cycle of the 308-foimplicit carrier phase observable Φ.

Das Phasenregister-Oberteil 846 erzeugt das Halbzyklusbit 812, welches an den in Fig. 9 gezeigten Zeigerzählerrotator 220 angelegt wird, und gleich dem niedrigstwertigen Bit (LSB) 850 ist. Entsprechend erzeugt das Phasenregister-Unterteil 844 das Viertelzyklusbit 814, welches an den Zeigerzählerrotator 220 angelegt wird, und gleich dem höchstwertigen Bit (MSB) 848 ist.The phase register upper portion 846 generates the half cycle bit 812, which is applied to the pointer counter rotator 220 shown in Figure 9 and is equal to the least significant bit (LSB) 850. Similarly, the phase register lower portion 844 generates the quarter cycle bit 814, which is applied to the pointer counter rotator 220 and is equal to the most significant bit (MSB) 848.

Das Verzögerungsregister 842 wird durch drei kaskadengeschaltete, reversible Aufwärts/Abwärts-Zähler gebildet: einen Modulo-77-Zähler 858, einen Modulo-40-Zähler 860, und einen Modulo-130944-Zähler 362. Daher kann das Verzögerungsregister 842, anders als das Phasenregister 840, nicht als ein binärnumerisches Register angesehen werden. Statt dessen enthält das Verzögerungsregister 842 eine numerische Darstellung auf gemischter Basis des C/A-Code-Gruppen-Verzögerungsschätzwertes τest 876, einschließlich des fo-Trägerphasenschätzwertes 204 und des C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwertes τest 194.The delay register 842 is formed by three cascaded, reversible up/down counters: a modulo-77 counter 858, a modulo-40 counter 860, and a Modulo 130944 counter 362. Therefore, unlike phase register 840, delay register 842 cannot be considered a binary numeric register. Instead, delay register 842 contains a mixed-based numeric representation of the C/A code group delay estimate τest 876, including the fo carrier phase estimate 204 and the C/A code group delay estimate τest 194.

Der Modulo-77-Zähler 858 innerhalb des Verzögerungsregisters 842 enthält eine Zahl mit 7 Bit im Bereich zwischen 0 und 76 (dezimal), welches die Gruppenverzögerung in Einheiten einer Halbperiode der Schwingung bei einer Frequenz von 308 fo repräsentiert. Daher enthält der Modulo-77-Zähler 858 Werte für die Gruppenverzögerung, die in Einheiten entsprechend der Phaseneinheit des niedrigstwertigen Bits (LSB) 850 des Phasenregister-Oberteils 846 ausgedrückt sind. Diese Einheiten sind in dem Sinn äquivalent, daß jede eine Positionsänderung repräsentiert, die gleich einer halben Wellenlänge eines Funksignals mit einer Frequenz gleich 308 fo ist, welches sich im Vakuum ausbreitet.The modulo-77 counter 858 within the delay register 842 contains a 7-bit number in the range 0 to 76 (decimal) representing the group delay in units of a half-period of oscillation at a frequency of 308 fo. Therefore, the modulo-77 counter 858 contains values for the group delay expressed in units corresponding to the phase unit of the least significant bit (LSB) 850 of the phase register top 846. These units are equivalent in the sense that each represents a change in position equal to one-half wavelength of a radio signal having a frequency equal to 308 fo propagating in a vacuum.

Der Modulo-40-Zähler 860 innerhalb des Verzögerungsregisters 842 enthält eine Zahl von 6 Bit im Bereich von 0 bis 39 (dezimal), welche eine Gruppenverzögerung in Einheiten repräsentiert, die 77 Halbperioden der Schwingung bei einer Frequenz von 308 fo entspricht, welche dieselben Einheiten darstellen wie ein Viertel einer Schwingungsperiode bei einer Frequenz von 2 fo.The modulo 40 counter 860 within the delay register 842 contains a 6-bit number in the range 0 to 39 (decimal) representing a group delay in units equal to 77 half-periods of oscillation at a frequency of 308 fo, which are the same units as one-quarter of an oscillation period at a frequency of 2 fo.

Der Modulo-40-Zähler 860 wird durch zwei Stufen in Kaskadenschaltung gebildet: den 2-Binär-Bit, Modulo-4-Zähler 864, der als die Eingangsstufe dient; und den 4-Bit, Modulo-10-Zähler 866, der als die nächste Stufe dient.The modulo-40 counter 860 is formed by two stages in cascade: the 2-binary bit, modulo-4 counter 864, which serves as the input stage; and the 4-bit, modulo-10 counter 866, which serves as the next stage.

Der 2-Binär-Bit, Modulo-4-Zähler 864, innerhalb des Modulo- 40-Zählers 860 erzeugt oder enthält den 2-Bit-fo-Trägerphasenschätzwert 204 im Bereich von 0 bis 3 (dezimal), wodurch die Gruppenverzögerung in Einheiten eines Viertels einer Schwingungsperiode bei einer Frequenz von 2 fo repräsentiert wird. Wie voranstehend unter Bezug auf Fig. 6 erwähnt, wird der 2-Bit-fo-Trägerphasenschätzwert 204 an den L1-Band-fo- Trägerphasendetektor 206 und den L2-Band-fo-Trägerphasendetektor 208 angelegt.The 2-binary bit, modulo-4 counter 864 within the modulo-40 counter 860 generates or contains the 2-bit fo carrier phase estimate 204 in the range of 0 to 3 (decimal), representing the group delay in units of a quarter of an oscillation period at a frequency of 2 fo. As mentioned above with reference to FIG. 6, the 2-bit fo carrier phase estimate 204 is applied to the L1 band fo carrier phase detector 206 and the L2 band fo carrier phase detector 208.

Es wird darauf hingewiesen, daß der fo-Trägerphasenschätzwert 204 direkt von dem C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 876 abgeleitet wird, nicht von dem 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 856. Dies erfolgt deswegen, da man erwarten kann, daß die zeitlichen Änderungen der fo-implizit- Trägerphasen stärker denen der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ gleichen als jenen der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ. Es wäre möglich, den 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 856 statt dessen oder zusätzlich, falls gewünscht, als Grundlage zur Ableitung des fo-Trägerphasenschätzwertes 204 zu verwenden.Note that the fo carrier phase estimate 204 is derived directly from the C/A code group delay estimate τest 876, not from the 308 fo carrier phase estimate φest 856. This is because the temporal variations of the fo implicit carrier phases can be expected to more closely resemble those of the C/A code group delay observable τ than those of the 308 fo implicit carrier phase observable φ. It would be possible to use the 308 fo carrier phase estimate φest 856 instead, or in addition, if desired, as a basis for deriving the fo carrier phase estimate 204.

Der 4-Bit, Modulo-10-Zähler 866 innerhalb des Modulo-40-Zählers 860 erzeugt oder enthält den 4-Bit-Schätzwert 872 im Bereich von 9 bis 9 (dezimal), was eine Gruppenverzögerung in Einheiten einer Schwingungsperiode bei einer Frequenz von 2 fo repräsentiert. Diese Einheit der Gruppenverzögerung ist ebenfalls gleich einer Stückbreite der P-Code-Modulation, und daher gleich einem Zehntel einer Stückbreite der C/A-Code- Modulation. Wie voranstehend unter Bezug auf Fig. 11 erwähnt, werden der 2-Bit-fo-Trägerphasenschätzwert 204 und der 4- Bit-Schätzwert 872 an den C/A-Code-Generator 230 angelegt, als Teile des C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwertes τest 194.The 4-bit, modulo-10 counter 866 within the modulo-40 counter 860 generates or contains the 4-bit estimate 872 in the range of 9 to 9 (decimal) representing a group delay in units of an oscillation period at a frequency of 2 fo. This unit of group delay is also equal to a slice width of the P-code modulation, and therefore equal to one-tenth of a slice width of the C/A code modulation. As mentioned above with reference to FIG. 11, the 2-bit fo carrier phase estimate 204 and the 4-bit estimate 872 are applied to the C/A code generator 230 as parts of the C/A code group delay estimate τest 194.

Der Modulo-130944-Zähler 862 wird durch zwei Stufen in Kaskadenschaltung gebildet: einen 10-Binär-Bit, Modulo-1023-Umkehrzähler 868, der als die erste Stufe dient; und einen 7-Bit, Modulo-128-Umkehrzähler 870, der als die zweite Stufe dient.The modulo 130944 counter 862 is formed by two stages in cascade: a 10-binary-bit, modulo 1023 invert counter 868 serving as the first stage; and a 7-bit, modulo 128 invert counter 870 serving as the second stage.

Der 10-Binär-Bit, Modulo-1023-Umkehrzähler 868 innerhalb des Modulo-130944-Zählers 862 erzeugt oder enthält den 10-Bit- Gesamtstück-Gruppenverzögerungsschätzwert 874 im Bereich von 0 bis 1022 (dezimal), was eine Gruppenverzögerung in Einheiten ganzer Stücke der C/A-Code-Modulation repräsentiert. Der 10-Bit-Gesamtstück-Gruppenverzögerungsschätzwert 874, der 4- Bit-Schätzwert 872 von dem 4-Bit, Modulo-10-Zähler 866, und der fo-Trägerphasenschätzwert 204 bilden zusammen den C/A- Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 194. Der 7-Bit, Modulo-128-Umkehrzähler 870 erzeugt oder enthält eine Nummer im Bereich von 0 bis 127 (dezimal), was eine Verzögerung in Einheiten einer Millisekunde repräsentiert, also der Periode des C/A-Codes.The 10-binary bit, modulo 1023 inversion counter 868 within the modulo 130944 counter 862 generates or contains the 10-bit whole piece group delay estimate 874 in the range of 0 to 1022 (decimal) representing a group delay in units of whole pieces of C/A code modulation. The 10-bit whole piece group delay estimate 874, the 4-bit estimate 872 from the 4-bit, modulo-10 counter 866, and the fo carrier phase estimate 204 together form the C/A code group delay estimate τest 194. The 7-bit, modulo-128 inverse counter 870 generates or contains a number in the range 0 to 127 (decimal) representing a delay in units of a millisecond, the period of the C/A code.

Bevor die verzögerungsverriegelte Verfolgung von GPS-Signalen 15 von dem GPS-Satelliten 12 beginnt, wird von dem Echtzeitcomputer 40 ein Programm ausgeführt, um den Gruppenverzögerungs-Anfangswert 37 zu berechnen, der an den Modulo-130944- Zähler 862 angelegt wird, auf der Grundlage externer Information 44, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Ist externe Information 44 unbestimmt oder nicht verfügbar, so können von dem Echtzeitcomputer eine Reihe von Versuchswerten für den Gruppenverzögerungs-Anfangswert 37 gebildet werden. Der Gruppenverzögerungs-Anfangswert 37 wird an den 10-Binär-Bit, Modulo- 1023-Umkehrzähler 868 und ebenso an den Modulo-128-Umkehrzähler 870 innerhalb des Modulo-130944-Zählers 862 angelegt. Es wird darauf hingewiesen, daß das niedrigstwertige Bit des Gruppenverzögerungs-Anfangswertes 37 ein Stück des C/A-Codes repräsentiert. Diese Genauigkeit ist ausreichend, um eine Erfassung des Satellitensignals durch den Detektor 190 für die 308-fo-Trägerphase und den C/A-Code-Verzögerungsfehler zu ermöglichen. Diese Genauigkeit, die erheblich größer ist als die Wiederholungsperiode des C/A-Codes, ist ebenfalls dazu ausreichend, eine Ungewißheit bezüglich ganzzahliger Perioden bei der Interpretation der Verzögerung auszuschalten.Before delay-locked tracking of GPS signals 15 from GPS satellite 12 begins, a program is executed by real-time computer 40 to calculate the group delay seed 37 to be applied to modulo 130944 counter 862 based on external information 44, as shown in Figure 2. If external information 44 is undetermined or unavailable, a series of trial values for group delay seed 37 may be formed by the real-time computer. Group delay seed 37 is applied to 10 binary bit, modulo 1023 inverse counter 868 and also to modulo 128 inverse counter 870 within modulo 130944 counter 862. It is noted that the least significant bit of the group delay initial value 37 represents a piece of the C/A code. This accuracy is sufficient to detection of the satellite signal by the 308 fo carrier phase and C/A code delay error detector 190. This accuracy, which is considerably greater than the repetition period of the C/A code, is also sufficient to eliminate integer period uncertainty in the interpretation of the delay.

Der 30-Bit-C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 876 wird an den Echtzeitcomputer 40 angelegt, und umfaßt den 7- Bit-Inhalt des Modulo-77-Zählers 858, den 6-Bit-Inhalt des Modulo-40-Zählers 860, und den 17-Bit-Inhalt des Modulo- 130944-Zählers 862. Der Gesamtwert des 30-Bit-C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwertes τest 876 ist gleich der Summe der Zahlen, die in jeder Stufe jedes Zählers im Verzögerungsregister 842 enthalten sind, jeweils multipliziert mit der jeweiligen Verzögerungseinheit. Der Gesamtwert des 30-Bit-C/A- Code-Gruppenverzögerungsschätzwertes τest 876 liegt daher im Bereich von 0 bis 128 Millisekunden, und weist eine numerische Genauigkeit von etwa 0,3 Nanosekunden auf, der Verzögerungseinheit des Modulo-77-Zählers 858. Selbstverständlich unterscheidet sich der Momentanwert des 30-Bit-C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwertes τest 876 von der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ um mehr als 0,3 Nanosekunden, infolge von Rauschen, Mehrweg-Interferenz, usw.The 30-bit C/A code group delay estimate τest 876 is applied to the real-time computer 40 and comprises the 7-bit contents of the modulo 77 counter 858, the 6-bit contents of the modulo 40 counter 860, and the 17-bit contents of the modulo 130944 counter 862. The total value of the 30-bit C/A code group delay estimate τest 876 is equal to the sum of the numbers contained in each stage of each counter in the delay register 842, each multiplied by the respective delay unit. The total value of the 30-bit C/A code group delay estimate τest 876 is therefore in the range of 0 to 128 milliseconds, and has a numerical accuracy of about 0.3 nanoseconds, the delay unit of the modulo-77 counter 858. Of course, the instantaneous value of the 30-bit C/A code group delay estimate τest 876 differs from the C/A code group delay observable τ by more than 0.3 nanoseconds, due to noise, multipath interference, etc.

Der Inhalt des Verzögerungsregisters 842, also der Wert des 30-Bit-C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwertes τest 876 kann geändert werden, anders als durch die Initialisierung durch den Echtzeitcomputer 40, und zwar durch ein Verzögerungsregister-Inkrement 878 von einem ODER-Gate 890 und durch ein Verzögerungsregister-Dekrement 880 von einem ODER-Gate 892, die beide an dem Modulo-77-Zähler 858 angelegt werden. Das Verzögerungsregister-Inkrement 878 erhöht den Wert in dem Modulo-77-Zähler 858 um eins und das Verzögerungsregister- Dekrement 880 verringert den Wert im Modulo-77-Zähler 858 um eins.The contents of the delay register 842, i.e. the value of the 30-bit C/A code group delay estimate τest 876, can be changed, other than by initialization by the real-time computer 40, by a delay register increment 878 from an OR gate 890 and by a delay register decrement 880 from an OR gate 892, both of which are applied to the modulo-77 counter 858. The delay register increment 878 increments the value in the modulo-77 counter 858 by one and the delay register Decrement 880 decreases the value in modulo-77 counter 858 by one.

Wenn das Verzögerungsregister-Inkrement 878 von dem Modulo- 77-Zähler 858 empfangen wird, während der in dem Modulo-77- Zähler enthaltene Wert 858 gleich 76 ist, dann ändert sich der Wert auf Null, und der Modulo-77-Zähler 858 erzeugt ein Überlaufsignal 882, welches an den Modulo-40-Zähler 860 angelegt wird, um zu veranlassen, daß der Wert im Modulo-40- Zähler 860 um eins inkrementiert wird. Wird das Verzögerungsregister-Dekrement 880 von dem Modulo-77-Zähler 858 empfangen, während der Wert im Modulo-77-Zähler 858 gleich Null ist, dann ändert sich der Wert auf 76, und der Modulo-77-Zähler 858 erzeugt ein Unterschreitungssignal 884, welches an den Modulo-40-Zähler 860 angelegt wird, und veranlaßt, daß der Wert in dem Modulo-40-Zähler 860 um eins dekrementiert wird.If the delay register increment 878 is received by the modulo-77 counter 858 while the value 858 contained in the modulo-77 counter is equal to 76, then the value changes to zero and the modulo-77 counter 858 generates an overflow signal 882 which is applied to the modulo-40 counter 860 to cause the value in the modulo-40 counter 860 to be incremented by one. If the delay register decrement 880 is received by the modulo 77 counter 858 while the value in the modulo 77 counter 858 is equal to zero, then the value changes to 76 and the modulo 77 counter 858 generates an underflow signal 884 which is applied to the modulo 40 counter 860 and causes the value in the modulo 40 counter 860 to be decremented by one.

Auf dieselbe Weise erzeugt der Modulo-40-Zähler 860 ein Überlaufsignal 886 und ein Unterschreitungssignal 888, welche dazu angelegt werden, um den Zählwert im Modulo-130944-Zähler 862 zu inkrementieren bzw. zu dekrementieren. Im normalen Betrieb zeigt der Modulo-130944-Zähler 862 keinen Überlauf oder eine Unterschreitung.In the same manner, the modulo 40 counter 860 generates an overflow signal 886 and an underflow signal 888, which are applied to increment and decrement the count value in the modulo 130944 counter 862. During normal operation, the modulo 130944 counter 862 does not exhibit an overflow or underflow.

Das ODER-Gate 890 erzeugt das Verzögerungsregister-Inkrement 878 in Reaktion entweder auf das Verzögerungsregister-Inkrementiersignal 414 innerhalb des Verzögerungsfehlersignals 200 oder auf das Phasenaddierer-Carrysignal 894 vom Phasenaddierer 898. Entsprechend erzeugt das ODER-Gate 892 das Verzögerungsregister-Dekrement 880 in Reaktion entweder auf das Verzögerungsregister-Dekrementierungssignal 418 innerhalb des Verzögerungsfehlersignals 200 oder auf das Phasenaddierer- Borgesignal 896 vom Phasenaddierer 898.The OR gate 890 generates the delay register increment 878 in response to either the delay register increment signal 414 within the delay error signal 200 or the phase adder carry signal 894 from the phase adder 898. Similarly, the OR gate 892 generates the delay register decrement 880 in response to either the delay register decrement signal 418 within the delay error signal 200 or the phase adder borrow signal 896 from the phase adder 898.

Das Verzögerungsfehlersignal 200 wird von dem in Fig. 10 gezeigten Korrelator 226 erzeugt, um das Vorzeichen der Differenz zwischen der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ und dem C/A-Code-Gruppen-N-Verzögerungsschätzwert τest 194 anzuzeigen, also ob die von dem Detektor 252 für das frühe Signal ermittelte Energie größer oder kleiner ist als die Energie, die von dem Detektor 358 für das späte Signal erfaßt wird. Das Verzögerungsregister-Inkrementierungssignal 414 innerhalb des Verzögerungsfehlersignals 200 zeigt an, daß der 30-Bit-C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 876 erhöht werden sollte, um besser der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ zu entsprechen, wogegen das Verzögerungsregister-Dekrementierungssignal 418 anzeigt, daß der 30-Bit-C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 876 verringert werden sollte, um besser der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ zu entsprechen.The delay error signal 200 is generated by the correlator 226 shown in Figure 10 to indicate the sign of the difference between the C/A code group delay observable τ and the C/A code group N delay estimate τest 194, i.e. whether the energy detected by the early signal detector 252 is greater or less than the energy detected by the late signal detector 358. The delay register increment signal 414 within the delay error signal 200 indicates that the 30-bit C/A code group delay estimate τest 876 should be increased to better match the C/A code group delay observable τ , whereas the delay register decrement signal 418 indicates that the 30-bit C/A code group delay estimate τest 876 should be decreased to better match the C/A code group delay observable τ.

Der Phasenaddierer 898 erzeugt das Phasenaddierer-Carrysignal 894, welches an einen Eingang des ODER-Gates 890 und an den Inkrement-Eingang zum Phasenregister-Oberteil 846 angelegt wird, sowie das Phasenaddierer-Borgesignal 896, welches an einen Eingang des ODER-Gates 892 und an den Dekrement-Eingang zum Phasenregister-Oberteil 846 angelegt wird, in Reaktion auf die Summe seiner drei Eingangssignale: das Phasenfehlersignal 198 von dem Zwei-Quadranten-Invers-Tangensfunktionsgenerator 334, den Phasenschätzwert 852 der 16 niedrigstwertigen Bits von dem Phasenregister-Unterteil 844, und das Trägerfrequenzregister-Ausgangssignal 900. Der Phasenaddierer 898 addiert zumindest zwei dieser drei 16-Bit-Binärzahlen 110.000-mal pro Sekunde zusammen, in Reaktion auf ein Taktsignal, welches in der digitalen Echtzeitanzeige 34 von der Echtzeituhr 36 enthalten ist.The phase adder 898 generates the phase adder carry signal 894 which is applied to an input of the OR gate 890 and to the increment input to the phase register upper portion 846, and the phase adder borrow signal 896 which is applied to an input of the OR gate 892 and to the decrement input to the phase register upper portion 846, in response to the sum of its three input signals: the phase error signal 198 from the two quadrant inverse tangent function generator 334, the phase estimate 852 of the 16 least significant bits from the phase register lower portion 844, and the carrier frequency register output signal 900. The phase adder 898 adds at least two of these three 16-bit binary numbers 110,000 times per second in response to a clock signal contained in the real-time digital display 34 from the real-time clock 36.

Der Phasenaddierer 898 empfängt das Phasenfehlersignal 198 nur in Zeitintervallen, entsprechend der digitalen Echtzeitanzeige 34 von der Echtzeituhr 36, welche ganzzahlige Vielfache von 0,01 Sekunden sind. Wie unter Bezug auf Fig. 11 erläutert ist das Phasenfehlersignal 198 nur in solchen Zeitintervallen verfügbar, und dann nur dann, wenn die Anzeige 348 für die zeitgleiche Signalenergie den Schwellenwert 406 überschreitet, so daß die Anzeige 410 für einen Wert oberhalb der Schwelle WAHR ist, was anzeigt, daß eine gültige Phasenfehlermessung möglich war.The phase adder 898 receives the phase error signal 198 only at time intervals corresponding to the real-time digital indication 34 from the real-time clock 36 which are integer multiples of 0.01 seconds. As explained with reference to FIG. 11, the phase error signal 198 is only available at such time intervals, and then only when the concurrent signal energy indication 348 exceeds the threshold 406, such that the indication 410 is TRUE for a value above the threshold, indicating that a valid phase error measurement was possible.

Der Phasenaddierer 898 empfängt den Phasenschätzwert 852 der 16 niedrigstwertigen Bits von dem Phasenregister-Unterteil 844 exakt 110.000-mal pro Sekunde, in gleichförmig beabstandeten Zeitintervallen entsprechend der digitalen Echtzeitanzeige 34. Der Phasenaddierer 898 empfängt weiterhin das Trägerfrequenzregister-Ausgangssignal 900 von dem 16-Bit-Frequenzregister 902, exakt 110.000-mal pro Sekunde, in gleichförmig beabstandeten Zeitintervallen entsprechend der digitalen Echtzeitanzeige 34.The phase adder 898 receives the phase estimate 852 of the 16 least significant bits from the phase register sub-portion 844 exactly 110,000 times per second, at uniformly spaced time intervals corresponding to the real-time digital display 34. The phase adder 898 also receives the carrier frequency register output signal 900 from the 16-bit frequency register 902, exactly 110,000 times per second, at uniformly spaced time intervals corresponding to the real-time digital display 34.

Das Trägerfrequenzregister-Ausgangssignal 900 wird ebenfalls an den Echtzeitcomputer 40 als Teil der Phasen- und Verzögerungsmessungen 202 angelegt.The carrier frequency register output signal 900 is also applied to the real-time computer 40 as part of the phase and delay measurements 202.

Daher kann 109.900-mal pro Sekunde der Phasenaddierer 898 nur zwei Zahlen empfangen und zusammen addieren, nämlich den Phasenschätzwert 852 der 16 niedrigstwertigen Bits und das Trägerfrequenzregister-Ausgangssignal 900; und 100-mal pro Sekunde kann der Phasenaddierer 898 drei Zahlen empfangen und zusammen addieren, einschließlich des Phasenfehlersignals 198. Mit einer nicht-variablen Rate von 110.000-mal pro Sekunde stellt der Phasenaddierer 898 die 16-Bit-Phasensumme 904 und, falls erforderlich, das Phasenaddierer-Carrysignal 894 oder das Phasenaddierer-Borgesignal 896 zur Verfügung.Therefore, 109,900 times per second, the phase adder 898 can receive and add together only two numbers, namely the 16 least significant bit phase estimate 852 and the carrier frequency register output signal 900; and 100 times per second, the phase adder 898 can receive and add together three numbers, including the phase error signal 198. At a non-variable rate of 110,000 times per second, the phase adder 898 provides the 16-bit phase sum 904 and, if required, the phase adder carry signal 894 or the phase adder borrow signal 896.

Das Phasenaddierer-Carrysignal 894 zeigt an, daß die Addition durch den Phasenaddierer 898 eine Summe erzeugte, die einen Überlauf von 16 Bits aufwies und das Phasenaddierer-Borgesignal 896 zeigt an, daß die Addition eine Summe erzeugte, welche 16 Bits unterschritt.The phase adder carry signal 894 indicates that the addition by the phase adder 898 produced a sum that overflowed 16 bits and the phase adder borrow signal 896 indicates that the addition produced a sum that underflowed 16 bits.

Die 16-Bit-Phasensumme 904 wird 110.000-mal pro Sekunde erzeugt, und wird jedesmal an das Phasenregister-Unterteil 844 angelegt, um dessen Inhalt zu ersetzen. Die 16-Bit-Phasensumme 904 enthält immer einen Beitrag von dem Phasenschätzwert 852 der 16 niedrigstwertigen Bits und vom Trägerfrequenzregister-Ausgangssignal 900, und kann das Phasenfehlersignal 198 enthalten. Immer wenn das Phasenaddierer-Carrysignal 894 von dem Phasenaddierer 898 erzeugt wird, wird das Phasenregister-Oberteil 846 um eins inkrementiert. Bei jeder Erzeugung des Phasenaddierer-Borgesignals 896 wird das Phasenregister- Oberteil 846 um eins dekrementiert. Wie voranstehend erwähnt wird das Phasenaddierer-Carrysignal 894 ebenfalls an das ODER- Gate 892 angelegt, um das Verzögerungsregister 890 zu inkrementieren und wird das Phasenaddierer-Borgesignal 896 ebenfalls an das ODER-Gate 892 angelegt, um das Verzögerungsregister 842 zu dekrementieren.The 16-bit phase sum 904 is generated 110,000 times per second, and is applied to the phase register lower portion 844 each time to replace its contents. The 16-bit phase sum 904 always includes a contribution from the 16 least significant bit phase estimate 852 and the carrier frequency register output signal 900, and may include the phase error signal 198. Whenever the phase adder carry signal 894 is generated from the phase adder 898, the phase register upper portion 846 is incremented by one. Each time the phase adder borrow signal 896 is generated, the phase register upper portion 846 is decremented by one. As mentioned above, the phase adder carry signal 894 is also applied to the OR gate 892 to increment the delay register 890 and the phase adder borrow signal 896 is also applied to the OR gate 892 to decrement the delay register 842.

Das 16-Bit-Frequenzregister 902 empfängt die Frequenzsumme 906 von dem Frequenzaddierer 908 100-mal pro Sekunde und ersetzt seinen Inhalt durch die Frequenzsumme 906 mit dieser Rate.The 16-bit frequency register 902 receives the frequency sum 906 from the frequency adder 908 100 times per second and replaces its contents with the frequency sum 906 at that rate.

Der Frequenzaddierer 908 kann drei 16-Bit-Binärzahl-Eingangs- Signale empfangen, nämlich das Trägerfrequenzregister-Ausgangssignal 900 von dem 16-Bit-Frequenzregister 902; das Phasenfehlersignal 198 von dem Zwei-Quadranten-Invers-Tangensfunktionsgenerator 334; und den Frequenzschätzwert 39 von dem Echtzeitcomputer 40.The frequency adder 908 can receive three 16-bit binary number input signals, namely the carrier frequency register output signal 900 from the 16-bit frequency register 902; the phase error signal 198 from the two-quadrant inverse tangent function generator 334; and the frequency estimate 39 from the real-time computer 40.

Der Einschluß des Phasenfehlersignals 198 in die Eingangswerte für den Frequenzaddierer 908 trägt zur Verbesserung des Dynamikverhaltens der phasenverriegelten Schleife (PLL) bei, die durch den 308-fo-Trägerphasen- und C/A-Code-Verzögerungsfehlerdetektor 190 und das Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 gebildet wird, die unter Bezug auf Fig. 6 erläutert wurden. Das Phasenfehlersignal 198 muß ordnungsgemäß skaliert werden, bevor es in den Frequenzaddierer 908 eingegeben wird.The inclusion of the phase error signal 198 in the inputs to the frequency adder 908 helps to improve the dynamic response of the phase locked loop (PLL) formed by the 308-fo carrier phase and C/A code delay error detector 190 and the phase and group delay register subsystem 196, discussed with reference to Figure 6. The phase error signal 198 must be properly scaled before it is input to the frequency adder 908.

Der Frequenzschätzwert 39 ist in den Eingangswerten für den Frequenzaddierer 908 aus zwei getrennten Zwecken vorgesehen, zur Initialisierung und wegen eines Satellitenverlustes.The frequency estimate 39 is included in the inputs to the frequency adder 908 for two separate purposes, for initialization and due to satellite loss.

Der Frequenzschätzwert 39 ist im Frequenzaddierer 908 während der Initialisierung erforderlich, so daß das Signal von dem GPS-Satelliten 12 geholt werden kann, bevor die phasenverriegelte Schleife mit der Verfolgung der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ begonnen hat. Wie voranstehend in bezug auf Fig. 10 erwähnt, weisen die 0,01-Sekunden-Integratoren 324 und 328 im Korrelator 226 eine effektive Bandbreite von etwa 100 Hertz auf. Das phasengleiche, entwickelte Videosignal 222 und das Quadratur-entwickelte Videosignal 224, die an den Korrelator 226 angelegt werden, müssen daher exakt durch den Zeigerzählerrotator 220 so erzeugt werden, daß das zu integrierende Signal innerhalb des effektiven Bandpasses dieser Integratoren liegt. Mit anderen Worten muß der 308- fo-Trägerphasenschätzwert Φest 192, der gemäß Fig. 7 und Fig. 9 an den Zeigerzählerrotator 220 angelegt wird, exakt die 308-fo-implizit-Trägerfrequenz des Signals vom GPS- Satelliten 12, wie dieses empfangen wird, auf innerhalb etwa 50 Hertz widerspiegeln.The frequency estimate 39 is required in the frequency adder 908 during initialization so that the signal from the GPS satellite 12 can be fetched before the phase-locked loop has begun tracking the 308 fo implicit carrier phase observable Φ. As mentioned above with respect to Fig. 10, the 0.01 second integrators 324 and 328 in the correlator 226 have an effective bandwidth of about 100 hertz. The in-phase developed video signal 222 and the quadrature developed video signal 224 applied to the correlator 226 must therefore be accurately generated by the phasor counter rotator 220 such that the signal to be integrated lies within the effective bandpass of these integrators. In other words, the 308-fo carrier phase estimate Φest 192 applied to the pointer counter rotator 220 as shown in Fig. 7 and Fig. 9 must exactly reflect the 308-fo implicit carrier frequency of the signal from the GPS satellite 12 as received to within about 50 Hertz.

Entsprechend hält der Frequenzschätzwert 39 den 30-Bit-C/A- Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 876, der vom Phasenregister 840 erzeugt wird, und den 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 856, der von dem Verzögerungsregister 842 erzeugt wird, ausreichend exakt, selbst wenn der GPS-Satellit 12 momentan zufällig verdeckt ist. Ein Betrieb auf diese Weise entspricht der Navigation durch Koppeln, nämlich Aufrechterhaltung eines Schätzwertes für die Position auf der Grundlage einer vorher bekannten Position und einer Schätzung der Positionsänderung, ermittelt aus einer angenommenen Änderungsrate der Position, multipliziert mit der abgelaufenen Zeit. Der Frequenzaddierer 908 kann so ausgebildet sein, daß er das Phasenfehlersignal 198 und das Trägerfrequenzregister- Ausgangssignal 900 zusammen addiert, um die Frequenzsumme 906 zu erzeugen, und zwar dann und nur dann, wenn die Anzeige 410 für einen Wert oberhalb der Schwelle anzeigt, daß das Phasenfehlersignal 198 verfügbar ist. Zeigt die Anzeige 410 für einen Wert oberhalb der Schwelle an, daß das Phasenfehlersignal 198 nicht verfügbar ist, dann muß der Frequenzschätzwert 39 als Ersatz für das Phasenfehlersignal 198 dienen. Selbst wenn das Phasenfehlersignal 198 verfügbar ist, kann der Frequenzschätzwert 39 von dem Frequenzaddierer 908 dazu verwendet werden, "beim Schätzen zu helfen".Accordingly, the frequency estimate 39 maintains the 30-bit C/A code group delay estimate τest 876 generated by the phase register 840 and the 308 fo carrier phase estimate φest 856 generated by the delay register 842 sufficiently accurate even if the GPS satellite 12 happens to be momentarily occluded. Operation in this manner is analogous to navigation by locking, namely, maintaining an estimate of position based on a previously known position and an estimate of position change determined from an assumed rate of change of position multiplied by elapsed time. The frequency adder 908 may be configured to add the phase error signal 198 and the carrier frequency register output signal 900 together to produce the frequency sum 906 if and only if the above-threshold indicator 410 indicates that the phase error signal 198 is available. If the above-threshold indicator 410 indicates that the phase error signal 198 is not available, then the frequency estimate 39 must serve as a substitute for the phase error signal 198. Even if the phase error signal 198 is available, the frequency estimate 39 may be used by the frequency adder 908 to "help estimate."

Das Trägerfrequenzregister-Ausgangssignal 900, welches wie erwähnt in dem 16-Bit-Frequenzregister 902 enthalten ist und von diesem erzeugt wird, repräsentiert den Betrag, um welchen das Phasenregister 840 jedesmal, nämlich 110.000-mal pro Sekunde, inkrementiert oder dekrementiert würde, falls es keinen Eingangswert für den Phasenaddierer 898 von dem Phasenfehlersignal 198 gäbe. Daher kann das 16-Bit-Frequenzregister 902 korrekt als Phasenratenregister bezeichnet werden. Wenn die phasenverriegelte Schleife, die durch den 308- fo-Trägerphasen- und C/A-Code-Verzögerungsfehlerdetektor 190 sowie das Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystem 196 gebildet wird, phasenverriegelt ist, dann repräsentiert das Trägerfrequenzregister-Ausgangssignal 900 eine Messung der Frequenz des 308-fo-L1-Band-Zentrumsfrequenzträgers, der implizit in den empfangenen GPS-Signalen 15 enthalten ist.The carrier frequency register output signal 900, which as mentioned is contained in and generated by the 16-bit frequency register 902, represents the amount by which the phase register 840 would be incremented or decremented each time, namely 110,000 times per second, if there were no input to the phase adder 898 from the phase error signal 198. Therefore, the 16-bit frequency register 902 may properly be referred to as a phase rate register. When the phase locked loop formed by the 308-fo carrier phase and C/A code delay error detector 190 and the phase and group delay register subsystem 196, is phase locked, then the carrier frequency register output signal 900 represents a measurement of the frequency of the 308 fo L1 band center frequency carrier implicitly contained in the received GPS signals 15.

Fig. 14Fig. 14

In Fig. 14 ist ein vereinfachtes, schematisches Signalflußdiagramm dargestellt, um den Betrieb des Endgerätes 23 zu erläutern, einschließlich des Betriebs und der gegenseitigen Verbindungen zwischen den verschiedenen phasen- und verzögerungsverriegelten Schleifen und anderen zugehörigen Rückkopplungssteuerungs- und -meßschleifen innerhalb der Signalverarbeitungsschaltungen.In Fig. 14, a simplified schematic signal flow diagram is shown to explain the operation of the terminal 23, including the operation and inter-connections between the various phase and delay locked loops and other associated feedback control and measurement loops within the signal processing circuits.

In diesem schematischen Signalflußdiagramm sind zur Vereinfachung einige Einzelheiten weggelassen, die bei den Diskussionen anderer Figuren beschrieben wurden. Insbesondere wurde einige der Signale, die unter Bezugnahme auf die vorherigen Figuren diskutiert wurden, so beschrieben, daß sie eine analoge Form aufweisen, und andere wurden so beschrieben, daß sie eine digitale Form aufweisen. Einige der Digitalsignale wurden durch unterschiedliche Anzahlen von Bits repräsentiert, und einige der Signale waren komplexe Signale, sowohl mit phasengleichen als auch Quadratur-Teilen, also Real- und Imaginärteilen. In dieser Fig. 14 sind allerdings derartige Einzelheiten nicht gezeigt. Signale werden unter Bezugnahme auf Analog- oder Digitalform, mehrere Teile oder Bits diskutiert.In this schematic signal flow diagram, some details that have been described in discussions of other figures have been omitted for simplicity. In particular, some of the signals discussed with reference to the previous figures were described as having an analog form and others were described as having a digital form. Some of the digital signals were represented by different numbers of bits, and some of the signals were complex signals with both in-phase and quadrature parts, i.e. real and imaginary parts. However, in this Figure 14, such details are not shown. Signals are discussed with reference to analog or digital form, multiple parts or bits.

Weiterhin sind zur Vereinfachung in Fig. 14 nicht mehrere Satelliten-Verfolgungskanäle 32 gezeigt. Der Betrieb eines derartigen Satelliten-Verfolgungskanals 32 wird anhand der Signale von nur einem GPS-Satelliten diskutiert. Es wird darauf hingewiesen, daß parallele Operationen gleichzeitig oder gleichlaufend für die Signale von jedem der mehreren beobachteten GPS-Satelliten durchgeführt werden.Furthermore, for the sake of simplicity, multiple satellite tracking channels 32 are not shown in Fig. 14. The operation of such a satellite tracking channel 32 is discussed based on the signals from only one GPS satellite. It should be noted that parallel operations are performed simultaneously or concurrently for the signals from each of the multiple GPS satellites being observed.

Die Antenne 22 empfängt ein zusammengesetztes Signal aus überlappenden, L-Band-Funkfrequenzsignalen mit verbreitertem Spektrum, und zwar gleichzeitig von mehreren GPS-Satelliten. Das Verbundsignal, welches von der Antenne 22 in den L1- und L2- Frequenzbändern empfangen wird, wird über die Übertragungsleitung 600 an ein Paar von Mischern 602 und 605 angelegt. In dem Mischer 602 werden die L1-Band-Signale durch Mischen mit einem lokal erzeugten, 308-fo-Lokalmodell 604 von einem lokalen Oszillator 606 heruntergewandelt. Es wird darauf hingewiesen, daß sämtliche Oszillatoren und andere zeitkritische Schaltungen und in Fig. 14 gezeigte Vorgänge durch einen einzigen Frequenzstandard, nicht gezeigt, beherrscht werden, ähnlich dem in Fig. 2 gezeigten Frequenzstandard 28.Antenna 22 receives a composite signal of overlapping, broadened spectrum L-band radio frequency signals simultaneously from multiple GPS satellites. The composite signal received by antenna 22 in the L1 and L2 frequency bands is applied via transmission line 600 to a pair of mixers 602 and 605. In mixer 602, the L1 band signals are down-converted by mixing with a locally generated 308 fo local model 604 from a local oscillator 606. Note that all of the oscillators and other time-critical circuits and operations shown in Figure 14 are governed by a single frequency standard, not shown, similar to frequency standard 28 shown in Figure 2.

Das Videofrequenz-Ausgangssignal 608 von dem Mischer 602 wird an den Zählerrotator 610 angelegt, welcher die Phase des Phasenschätzwertess 612 von dem Videofrequenz-Ausgangssignal 608 subtrahiert, um das Ausgangsvideossignal 630 zu erzeugen.The video frequency output signal 608 from the mixer 602 is applied to the counter rotator 610, which subtracts the phase of the phase estimate 612 from the video frequency output signal 608 to produce the output video signal 630.

Falls die Frequenz der Zentrumsfrequenzträgerwelle, die nominell bei einer Frequenz von 308 fo liegt, die implizit in den Signalen in der Übertragungsleitung 600 enthalten ist, größer ist als die Frequenz des 308-fo-Lokalmodells 604, dann steigt die Phase des implizit in den Satellit-Signalen enthaltenen Trägers im Verlauf der Zeit schneller an als die Phase des 308 fo-Lokalmodells 604. Die Phase der Zentrumsfrequenzträgerwelle, die implizit in dem Videofrequenz-Ausgangssignal 608 enthalten ist, welches durch den Mischer 602 als das Produkt der Satelliten-Signale und des 30 8-fo-Lokalmodells 604 erzeugt wird, nimmt daher im Verlauf der Zeit zu.If the frequency of the center frequency carrier wave, nominally at a frequency of 308 fo, implicitly contained in the signals in the transmission line 600 is greater than the frequency of the 308 fo local model 604, then the phase of the carrier implicitly contained in the satellite signals increases faster over time than the phase of the 308 fo local model 604. The phase of the center frequency carrier wave implicitly contained in the video frequency output signal 608 produced by the mixer 602 as the product of the satellite signals and the 30 8 fo local model 604 therefore increases over time.

Der Zeiger, welcher das Videofrequenz-Ausgangssignal 608 repräsentiert, dreht sich daher in der positiven, also Richtung im Gegenuhrzeigersinn, in der komplexen Ebene. Die Drehrate in Umdrehungen pro Sekunde ist gleich der Frequenzdifferenz in Hertz zwischen der Frequenz des impliziten Zentrumsfrequenzträgers der Satelliten-Signale und der Frequenz des 308-fo-Lokalmodells 604. Die Dopplerverschiebung der empfangenen Satelliten-Signale, infolge der Relativbewegung zwischen dem Satelliten und der Empfangsantenne 22, stellt gewöhnlich den Hauptgrund für diese Frequenzdifferenz dar. Typischerweise liegt die Dopplerverschiebung des 308-fo-Trägers, der implizit in den empfangenen GPS-Satelliten-Signalen enthalten ist, in der Größenordnung von einigen wenigen Kilohertz. Mit anderen Worten beträgt die Drehrate des Zeigers, welcher das Videofrequenz-Ausgangssignal 608 repräsentiert, einige Tausend Umdrehungen pro Sekunde.The phasor representing the video frequency output signal 608 therefore rotates in the positive, i.e. counterclockwise, direction in the complex plane. The rotation rate in revolutions per second is equal to the frequency difference in Hertz between the frequency of the implicit center frequency carrier of the satellite signals and the frequency of the 308-fo local model 604. The Doppler shift of the received satellite signals, due to the relative motion between the satellite and the receiving antenna 22, is usually the main reason for this frequency difference. Typically, the Doppler shift of the 308-fo carrier, which is implicit in the received GPS satellite signals, is on the order of a few kilohertz. In other words, the rotation rate of the pointer representing the video frequency output signal 608 is several thousand revolutions per second.

Der Zählerrotator 610 kann so angesehen werden, daß er die Koordinatenachsen der komplexen Ebene so dreht, daß in bezug auf die neuen Drehachsen sich der Signalzeiger nicht so schnell dreht.The counter rotator 610 can be viewed as rotating the coordinate axes of the complex plane such that the signal pointer does not rotate as quickly with respect to the new axes of rotation.

Der Phasenschätzwert 612 repräsentiert einen Winkel im Bereich zwischen Null und einem Zyklus, oder 0º bis 360º. Dieser Winkel ist der Momentanwinkel, Modulo einem Zyklus, um welchen die gedrehten Koordinatenachsen, auf welche sich das Ausgangsvideosignal 630 bezieht, in bezug auf die stationären Koordinatenachsen gedreht werden, auf welche sich das Videofrequenz- Ausgangssignal 608 bezieht, und zwar durch den Zählerrotator 610. Der Phasenschätzwert 612 ändert sich zeitlich und kann ansteigen oder absinken.The phase estimate 612 represents an angle in the range between zero and one cycle, or 0º to 360º. This angle is the instantaneous angle, modulo one cycle, by which the rotated coordinate axes to which the output video signal 630 refers are rotated with respect to the stationary coordinate axes to which the video frequency output signal 608 refers by the counter rotator 610. The phase estimate 612 changes over time and may increase or decrease.

Der Phasenschätzwert 612 wird in dem Phasenregister 616 aus einer Kombination extern und intern abgeleiteter Information gebildet. Der Begriff "intern abgeleitete Information" bezieht sich auf Information, die von Messungen abgeleitet wird, die innerhalb des Satelliten-Verfolgungskanals 32 durchgeführt werden. Derartige Messungen umfassen die Messungen von Signaleigenschaften zusätzlich zur 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ. Der Begriff "extern abgeleitete Information" bezieht sich auf Information, die von Quellen außerhalb des Satelliten-Verfolgungskanals 32 abgeleitet ist. Extern abgeleitete Information kann a priori-Information umfassen, die von Signalen abgeleitet ist, die an anderen Orten empfangen werden, beispielsweise einer in Fig. 1 gezeigten Küstenstation 18, sowie von Messungen innerhalb anderer Satelliten-Verfolgungskanäle 32 innerhalb desselben Endgerätes 23 von Signalen, die von anderen Satelliten durch die Antenne 22 empfangen werden, abgeleitete Information.The phase estimate 612 is stored in the phase register 616 from a combination of externally and internally derived information The term "internally derived information" refers to information derived from measurements made within the satellite tracking channel 32. Such measurements include measurements of signal properties in addition to the 308 fo implicit carrier phase observable Φ. The term "externally derived information" refers to information derived from sources external to the satellite tracking channel 32. Externally derived information may include a priori information derived from signals received at other locations, such as a shore station 18 shown in FIG. 1, as well as information derived from measurements within other satellite tracking channels 32 within the same terminal 23 of signals received from other satellites by the antenna 22.

Daher empfängt das Phasenregister 616 eine Phasenrückkopplung 628, welche Information von innerhalb des Satelliten-Verfolgungskanals 32 über den Phasenwert 680 und vom Echtzeitcomputer 40 über die Rateninformation 684 enthält, welche von dem Echtzeitcomputer 40 auf der Grundlage von Information von einer breiten Vielzahl anderer Quellen erzeugt werden kann.Therefore, the phase register 616 receives a phase feedback 628 containing information from within the satellite tracking channel 32 about the phase value 680 and from the real-time computer 40 about the rate information 684, which may be generated by the real-time computer 40 based on information from a wide variety of other sources.

Das Ziel besteht darin, daß sich der Phasenwinkel des Phasenschätzwertes 612 mit möglichst gleicher Rate dreht wie der Phasenwinkel des Videosignalzeigers, welcher das Videofrequenz-Ausgangssignal 608 repräsentiert. Im Idealfall würde sich der Phasenwinkel des Phasenschätzwertes 612 mit derselben Rate drehen wie der Phasenwinkel des Videofrequenz-Ausgangssignals 608, so daß der Phasenwinkel des Ausgangsvideosignals 630 von dem Zählerrotator 610 stationär wäre. Im Idealfall wäre der Wert dieses stationären Phasenwinkels gleich Null. Liegt der Phasenwinkel des Ausgangsvideosignals 630 nahe an Null, so ist der Phasenschätzwert 612 nahe an der Phase, und kann zu deren Messung dienen, des 308-fo- Zentrumsfrequenzträgers von dem ausgewählten Satelliten, der implizit in dem Videofrequenz-Ausgangssignal 608 enthalten ist, also der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ.The goal is for the phase angle of the phase estimate 612 to rotate at as close a rate as possible to the phase angle of the video signal pointer representing the video frequency output signal 608. Ideally, the phase angle of the phase estimate 612 would rotate at the same rate as the phase angle of the video frequency output signal 608, so that the phase angle of the output video signal 630 from the counter rotator 610 would be stationary. Ideally, the value of this stationary phase angle would be zero. If the phase angle of the output video signal 630 is close to zero, the phase estimate 612 is close to the phase of, and can be used to measure, the 308 fo center frequency carrier from the selected satellite which is implicitly contained in the video frequency output signal 608, i.e. the 308 fo implicit carrier phase observable Φ.

Für den Normalbetrieb ist es ausreichend, die Drehrate des Ausgangsvideosignals 630 auf weniger als etwa 50 Umdrehungen pro Sekunde zu verringern. Die Frequenz, also die Zeitableitung des Phasenschätzwertes 612, sollte sich um nicht mehr als 50 Hertz von der Frequenz des 308-fo-Zentrumsfrequenzträgers unterscheiden, der implizit in dem Videofrequenz-Ausgangssignal 608 von dem ausgewählten Satelliten enthalten ist. Wurde die Drehrate erfolgreich auf weniger als etwa 50 Umdrehungen pro Sekunde verringert, so ist es wie nachstehend angegeben möglich, das Signal über ein Zeitintervall von 0,01 Sekunden zu mitteln, ohne daß sich während dieses Intervalls der Zeiger um mehr als den halben Weg um die komplexe Ebene herum dreht. Es ist wünschenswert, das Signal über ein Zeitintervall in der Größenordnung von etwa 0,01 Sekunden zu mitteln, um die Wirkungen von Rauschen und Störungen zu verringern, die vorhanden sein können. Eine Mittlung über etwa 0,01 Sekunden verringert die effektive Bandbreite des Endgerätes 23 auf etwa 100 Hertz, also den Umkehrwert der Integrationszeit. Eine lange Integrationszeit und daher eine enge Bandbreite sind wünschenswert, um Rauschen und dergleichen zu verringern, jedoch darf die Integrationszeit nicht so lang sein, daß der zu integrierende oder zu mittelnde Zeiger sich um mehr als etwa einen halben Zyklus dreht. Dreht sich der Zeiger um einen vollen Zyklus, so ist sein integrierter Wert oder Mittelwert gleich Null.For normal operation, it is sufficient to reduce the rotation rate of the output video signal 630 to less than about 50 revolutions per second. The frequency, i.e. the time derivative of the phase estimate 612, should not differ by more than 50 hertz from the frequency of the 308 fo center frequency carrier implicit in the video frequency output signal 608 from the selected satellite. Once the rotation rate has been successfully reduced to less than about 50 revolutions per second, it is possible, as indicated below, to average the signal over a time interval of 0.01 seconds without the pointer rotating more than halfway around the complex plane during that interval. It is desirable to average the signal over a time interval on the order of about 0.01 seconds to reduce the effects of noise and interference that may be present. Averaging over about 0.01 seconds reduces the effective bandwidth of the terminal 23 to about 100 Hertz, which is the inverse of the integration time. A long integration time and therefore a narrow bandwidth are desirable to reduce noise and the like, but the integration time must not be so long that the pointer to be integrated or averaged rotates more than about half a cycle. If the pointer rotates a full cycle, its integrated value or average is zero.

Die von dem GPS-Satelliten empfangenen Signale sind keine Signale kontinuierlicher Wellen mit sich zeitlich glatt ändernden Phasen. Tatsächlich wird die Phase jeder Orthogonalkomponente eines GPS-Satelliten-Signals sehr schnell zwischen zwei unterschiedlichen Werten hin- und hergeschaltet, die um 180º auseinanderliegen, infolge der Biphasenmodulation, die in dem Satelliten-Sender eingesetzt wird. Diese Schaltrate beträgt etwa 1.000.000-mal pro Sekunde für die sich auf den C/A-Code beziehende Komponente des Satelliten-Signals, und 10.000.000- mal pro Sekunde für die sich auf den P-Code beziehende Komponente, und ist in jedem Fall erheblich schneller als die voranstehend erläuterte Drehrate des Zeigers. Der "momentane" Zeiger, der das Videofrequenz-Ausgangsssignal 608 zu jedem Zeitpunkt repräsentiert, schaltet daher sehr schnell zwischen zwei Punkten auf entgegengesetzten Seiten des Ursprungs der komplexen Ebene um, und diese beiden Punkte, die zwar auf entgegengesetzten Seiten des Ursprungs bleiben, bewegen sich relativ langsam entlang eines Kreises, dessen Zentrum im Ursprung der Ebene liegt.The signals received by the GPS satellite are not continuous wave signals with smoothly changing phases over time. In fact, the phase of each orthogonal component of a GPS satellite signal is switched very rapidly between two different values which are 180° apart, due to the biphase modulation employed in the satellite transmitter. This switching rate is approximately 1,000,000 times per second for the C/A code related component of the satellite signal, and 10,000,000 times per second for the P code related component, and is in any case considerably faster than the rate of rotation of the pointer discussed above. The "instantaneous" pointer representing the video frequency output signal 608 at any given time therefore switches very rapidly between two points on opposite sides of the origin of the complex plane, and these two points, while remaining on opposite sides of the origin, move relatively slowly along a circle whose center lies at the origin of the plane.

Die 308-fo-Zentrumsfrequenzträgerwelle, die implizit in den Satelliten-Signalen enthalten ist, kann durch einen sich drehenden, jedoch nicht umschaltenden Zeiger repräsentiert werden, der zu einem der diametral entgegengesetzt drehenden Punkte zeigt. Der Träger eines GPS-Satelliten-Signals wird durch die Modulation in dem Satelliten unterdrückt, da die sich ergebende gemittelte Position des "momentanen" Zeigers exakt in der Mitte zwischen den beiden gegenüberliegenden Punkten liegt, und daher am Ursprung der komplexen Ebene.The 308 fo center frequency carrier wave implicit in the satellite signals can be represented by a rotating but non-switching pointer pointing to one of the diametrically opposite rotating points. The carrier of a GPS satellite signal is suppressed by the modulation in the satellite because the resulting averaged position of the "instantaneous" pointer is exactly halfway between the two opposite points, and therefore at the origin of the complex plane.

Falls keine Unterscheidung zwischen den beiden entgegengesetzten Punkten getroffen werden kann, dann weist der Phasenwinkel dieses unterdrückten, implizit enthaltenen Trägers eine Unsicherheit von 180º auf. Diese Halbzyklus-Unsicherheit kann dadurch ausgeglichen oder ausgeschaltet werden, falls einer der entgegengesetzten Punkte von dem anderen unterschieden werden kann. Eine derartige Unterscheidung kann erfolgen, wenn ein bestimmtes Muster in der Biphasenmodulation bekannt ist, welches zur Identifizierung eines der beiden Phasenpunkte als der Phasenpunkt "Null" dienen kann, im Gegensatz zu dem um 180º versetzten Phasenpunkt. Das Muster der C/A-Code-Funktion, in Kombination mit einem verwandten Muster, beispielsweise dem Rahmensynchronisationsmuster der GPS-Navigationsdatenmodulation, kann hierzu verwendet werden. Selbst eine teilweise Kenntnis derartiger Muster kann dazu ausreichend sein, die beiden Phasenpunkte zu unterscheiden. Ein Beispiel einer ausreichenden Teilkenntnis ist die Kenntnis, daß die C/A-Code-Sequenz ungleiche Anzahlen von Bits "1" und "0" aufweist, in Kombination mit einer Kenntnis eines Fragments der Navigationsdaten oder eines Teilmusters in diesen.If no distinction can be made between the two opposite points, then the phase angle of this suppressed, implicit carrier has an uncertainty of 180º. This half-cycle uncertainty can be compensated or eliminated if one of the opposite points can be distinguished from the other. Such a distinction can be done if a certain pattern in the biphase modulation is known which can serve to identify one of the two phase points as the "zero" phase point, as opposed to the phase point offset by 180º. The pattern of the C/A code function, in combination with a related pattern, for example the frame synchronization pattern of the GPS navigation data modulation, can be used for this purpose. Even a partial knowledge of such patterns can be sufficient to distinguish the two phase points. An example of sufficient partial knowledge is the knowledge that the C/A code sequence has unequal numbers of "1" and "0" bits, in combination with a knowledge of a fragment of the navigation data or a partial pattern therein.

Der Gegenrotator 610 entfernt den größten Anteil der Drehrate oder Winkelgeschwindigkeit des Zeigers, tut jedoch nichts zum Entfernen der sehr schnellen, nämlich 1.000.000-mal pro Sekunde, Schwankung oder des Hin- und Herspringens des momentanen Zeigers zwischen den beiden diametral entgegengesetzten Punkten auf dem Kreis, dessen Zentrum im Ursprung der komplexen Videoebene liegt. Um diese Schwankung zu entfernen wird das empfangene Signal mit der C/A-Code-Nachbildung 634 multipliziert, die in nahezu perfekter Synchronisierung mit den Sprüngen des empfangenen Signals hin- und herspringt.The counter rotator 610 removes most of the rotation rate or angular velocity of the pointer, but does nothing to remove the very rapid, namely 1,000,000 times per second, wobble or jump of the current pointer between the two diametrically opposed points on the circle centered at the origin of the complex video plane. To remove this wobble, the received signal is multiplied by the C/A code replica 634, which jumps back and forth in almost perfect synchronization with the jumps of the received signal.

Die C/A-Code-Nachbildung 634 ist eine Nachbildung oder ein "Modell" der C/A-Code-Komponente der Modulation des Signals, welches von dem ausgewählten Satelliten gesendet wird. Die C/A-Code-Nachbildung 634 wird in dem C/A-Code-Generator 636 erzeugt, und wird in dem Korrelator 632 mit dem Ausgangsvideosignal 630 multipliziert. Der Takt der Erzeugung der C/A-Code- Nachbildung 634 wird durch den Zeitverzögerungsschätzwert τest 696 von dem Verzögerungsregister 672 beherrscht.The C/A code replica 634 is a replica or "model" of the C/A code component of the modulation of the signal transmitted by the selected satellite. The C/A code replica 634 is generated in the C/A code generator 636 and is multiplied by the output video signal 630 in the correlator 632. The timing of the generation of the C/A code replica 634 is governed by the time delay estimate τest 696 from the delay register 672.

Die Zeitverzögerung der C/A-Code-Nachbildung 634 muß ständig nachgestellt werden, um der Zeitverzögerung des von dem Satelliten empfangenen Signals zu folgen. Die Zeitverzögerung der C/A-Code-Nachbildung 634 wird durch den Verzögerungsschätzwert 696 gesteuert, der im Verzögerungsregister 672 enthalten ist und von diesem erzeugt wird.The time delay of the C/A code replica 634 must be continually adjusted to follow the time delay of the signal received from the satellite. The time delay of the C/A code replica 634 is controlled by the delay estimate 696 contained in and generated by the delay register 672.

Wie der Inhalt des Phasenregisters 616 wird auch der Inhalt des Verzögerungsregisters 672 so eingestellt, daß das Satelliten-Signal verfolgt wird, durch eine Kombination extern abgeleiteter Information mit Information, die durch Beobachtung des Satelliten-Signals abgeleitet wird. Während jedoch das Phasenregister 616 so eingestellt wird, daß es der Zentrumsfrequenzträgerphase folgt, die sich auf die Phasenverzögerung des Signals bezieht, wird das Verzögerungsregister 672 so eingestellt, daß es die Gruppenverzögerung des Signals verfolgt.Like the contents of phase register 616, the contents of delay register 672 are adjusted to track the satellite signal by combining externally derived information with information derived by observing the satellite signal. However, while phase register 616 is adjusted to track the center frequency carrier phase, which relates to the phase delay of the signal, delay register 672 is adjusted to track the group delay of the signal.

Getrennte, jedoch miteinander verbundene Register werden für die Phasenverzögerungs- und die Gruppenverzögerungsschätzwerte verwendet, trotz der Tatsache, daß die Phasenverzögerung und die Gruppenverzögerung des Satelliten-Signals praktisch auf gleiche Weise durch eine Änderung des Abstands beeinflußt werden, also durch eine Positionsverschiebung des Satelliten entlang der Beobachtungslinie von der Empfangsantenne 22. Eine Entfernungsänderung dieser Art führt zu einer Änderung der Zeit, die das Signal benötigt, um sich vom Satelliten durch den Raum zum Empfänger auszubreiten.Separate but interconnected registers are used for the phase delay and group delay estimates, despite the fact that the phase delay and group delay of the satellite signal are affected in virtually the same way by a change in distance, i.e., by a shift in position of the satellite along the line of sight from the receiving antenna 22. A change in distance of this kind results in a change in the time required for the signal to propagate from the satellite through space to the receiver.

Ein Grund für die Erzeugung getrennter Schätzwerte für die Phasenverzögerung oder "Phase" und die Gruppenverzögerung oder "Verzögerung" durch getrennte Register liegt darin, daß die Phasenverzögerung und die Gruppenverzögerung des Signals durch die Ausbreitung durch die Ionosphäre der Erde nicht auf gleiche Weise beeinflußt werden. Ein weiterer Grund zur Beibehaltung getrennter Schätzwerte liegt darin, daß eine Mehrwegausbreitung des Signals die Phasenverzögerung und die Gruppenverzögerung unterschiedlich beeinflußt. Ein weiterer Grund liegt darin, daß die Ungenauigkeit bezüglich eines ganzzahligen Zyklus oder eines halben ganzzahligen Zyklus der impliziten Trägerphasenobservablen recht verschieden von jeder Unsicherheit der Gruppenverzögerungsobservablen ist. Ein weiterer Grund besteht darin, daß die beiden Observablen unterschiedliche Offsets aufweisen und daher getrennt behandelt werden sollten.One reason for producing separate estimates for the phase delay or "phase" and the group delay or "delay" by separate registers is that the phase delay and the group delay of the signal are not affected in the same way by propagation through the Earth's ionosphere. Another reason for The reason for maintaining separate estimates is that signal multipath affects the phase delay and the group delay differently. Another reason is that the uncertainty about an integer cycle or half an integer cycle of the implicit carrier phase observable is quite different from any uncertainty of the group delay observable. Another reason is that the two observables have different offsets and should therefore be treated separately.

Die 308-fo-implizit-Trägerphasenobservable Φ weist unter den Observablen die höchste Genauigkeit auf. Ihre entsprechende Entfernungsgenauigkeit liegt in der Größenordnung von 1 Zentimeter fo weniger, im wesentlichen deswegen, da die Wellenlänge der 308-fo-implizit-Trägerwelle so kurz ist, etwa 19 Zentimeter, und deswegen, da von der Mehrwegausbreitung und von Rauschen herrührende Fehler üblicherweise ein kleiner Bruchteil, typischerweise etwa 1/20-stel, der relevanten Wellenlänge sind. Die Genauigkeit der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ ist auch im zeitlichen Sinn am höchsten. Diese Phase kann exakt auf der Grundlage einer Signalintegration oder Mittlung von nur 0,01 Sekunden exakt gemessen werden. Verhältnismäßig schnelle, statistische Bewegungen der Empfangsantenne 22 verhindern daher nicht eine exakte Messung, und eine sich schnell ändernde Position kann als Funktion der Zeit mit hervorragender zeitlicher Auflösung und ebenso mit hervorragender räumlicher Auflösung bestimmt werden.The 308 fo implicit carrier phase observable Φ has the highest accuracy of the observables. Its corresponding range accuracy is on the order of 1 centimeter fo less, mainly because the wavelength of the 308 fo implicit carrier wave is so short, about 19 centimeters, and because errors due to multipath and noise are usually a small fraction, typically about 1/20th, of the relevant wavelength. The accuracy of the 308 fo implicit carrier phase observable Φ is also the highest in the time sense. This phase can be accurately measured based on signal integration or averaging of only 0.01 seconds. Relatively fast, statistical movements of the receiving antenna 22 therefore do not prevent an accurate measurement, and a rapidly changing position can be determined as a function of time with excellent temporal resolution and also with excellent spatial resolution.

Der Hauptnachteil der 308-fo-Trägerphasenobservablen besteht darin, teilweise deswegen, da die Wellenlänge so kurz ist, daß die unvermeidliche Unsicherheit bezüglich einer ganzzahligen Wellenlänge in der Interpretation der Phase schwer aufzulösen ist, daß der beobachtete Wert der 308-fo-Trägerphase einen Offset mit unbekanntem Betrag aufweist, möglicherweise von enormer Größe. Dieser Offset muß bestimmt werden, wenn die Leistung dieser Observablen vollständig genutzt werden soll. Solange Beobachtungen kontinuierlich oder in der Wirkung kontinuierlich durchgeführt werden, kann die zeitliche Änderung der Phase verfolgt werden, so daß die kontinuierlichen Beobachtungsreihen nur einen konstanten, additiven Offset enthalten. Daher ist für die Ermittlung des Offsets potentiell ein langer Zeitraum zulässig.The main disadvantage of the 308-fo carrier phase observable is that, partly because the wavelength is so short that the inevitable integer wavelength uncertainty in the interpretation of the phase is difficult to resolve, the observed value of the 308-fo carrier phase has a offset of unknown magnitude, possibly of enormous size. This offset must be determined if the power of these observables is to be fully exploited. As long as observations are made continuously or in effect continuously, the temporal change of the phase can be tracked so that the continuous series of observations contain only a constant, additive offset. Therefore, a potentially long period of time is permissible for determining the offset.

Der Offset in den Zeitreihen der 308-fo-Trägerphasenbeobachtungen kann durch ein Verfahren oder eine Kombination von Verfahren bestimmt werden. Ein Verfahren nutzt die Tatsache, daß die partielle Ableitung einer Phasenobservablen in bezug auf eine Positionskoordinate, einen Taktsynchronisierungsparameter, einen Satelliten-Umlaufparameter, oder auf irgendeinen der meisten anderen Parameter, die unbekannt sein können, jedoch bestimmt werden müssen, sich zeitlich infolge der Bewegung des Satelliten über den Himmel ändert.The offset in the time series of 308-fo carrier phase observations can be determined by one or a combination of techniques. One technique takes advantage of the fact that the partial derivative of a phase observable with respect to a position coordinate, a clock synchronization parameter, a satellite orbit parameter, or any of many other parameters that may be unknown but must be determined, changes in time due to the satellite's movement across the sky.

Zwar ändern sich diese partiellen Ableitungen zeitlich, welche die Empfindlichkeiten der Observablen aufalle anderen unbekannten Variablen widerspiegeln, jedoch bleibt die partielle Ableitung der Observablen in bezug auf den additiven Offset konstant, nämlich gleich eins. Daher kann ein Satz gekoppelter Gleichungen gelöst werden, welche diese sämtlichen Unbekannten mit den Beobachtungen in den Reihen der Beobachtungszeiten verknüpfen, um eine eindeutige Lösung oder eine Lösung nach der Methode der minimalisierten Fehlerquadrate zu erhalten, welche die Lösung für den Offset von den Lösungen für die anderen Variablen trennt.Although these partial derivatives vary with time, reflecting the sensitivities of the observables to all other unknown variables, the partial derivative of the observables with respect to the additive offset remains constant, equal to one. Therefore, a set of coupled equations relating all these unknowns to the observations in the series of observation times can be solved to obtain a unique solution or a least squares solution that separates the solution for the offset from the solutions for the other variables.

Obwohl diese generelle Vorgehensweise für die Bestimmung der sich zeitlich ändernden Position eines sich bewegenden Schiffes eingesetzt werden kann, ist zusätzliche Information erforderlich, um das Offset-Problem zu lösen. Wäre keine zusätzliche Information verfügbar, dann gäbe es für jeden Zeitpunkt eine oder mehrere zusätzliche, unabhängige, sich auf die Position beziehende Unbekannte. Durch das zusätzliche Vorhandensein eines unbekannten Offsets können mehr unbekannte als bekannte Größen vorhanden sein, und daher wäre eine eindeutige Lösung unmöglich. Ist jedoch eine ausreichende Anzahl an Satelliten vorhanden, die gleichzeitig über einen ausreichend langen Zeitraum beobachtet werden, und gibt es eine ausreichende Kontinuität sowohl der Beobachtungsreihen als auch der Positionsreihen oder dem Trajektorie, so kann eine nützliche Lösung immer noch für den Satz relevanter Offsets erfolgen, gleichzeitig mit einem Satz von Variablen, welche die Trajektorie repräsentieren.Although this general procedure for determining the time-varying position of a moving ship, additional information is required to solve the offset problem. If no additional information were available, then for each time instant there would be one or more additional, independent unknowns related to position. The additional presence of an unknown offset may result in more unknowns than knowns, and thus a unique solution would be impossible. However, if there are a sufficient number of satellites observed simultaneously over a sufficiently long period of time, and there is sufficient continuity in both the observation series and the position series or trajectory, a useful solution can still be obtained for the set of relevant offsets, simultaneously with a set of variables representing the trajectory.

Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung des Offsets in den Zeitreihen der 308-fo-Trägerphasenbeobachtungen besteht in der Verwendung von Beobachtungen irgendeiner anderen Observablen. Dieses Verfahren läßt sich einzeln oder in Kombination mit dem voranstehend geschilderten Verfahren einsetzen. Die andere Observable kann die Phase eines weiteren impliziten Trägers einer unterschiedlichen Frequenz sein. Ist die zweite Trägerfrequenz ausreichend niedrig, dann kann ihre Wellenlänge groß genug sein, so daß ihre Unsicherheit, ganzzahlig oder halbzahlig, gelöst werden kann, beispielsweise durch Verwendung einer a priori-Positionsinformation. Liegt die zweite Trägerfrequenz nahe an der Frequenz von 308-fo-, dann kann es möglich sein, die ganzzahlige Unsicherheit aufzulösen, die mit der Schwebungsfrequenz zwischen den beiden Trägerfrequenzen zusammenhängt. Die letztgenannte Schwebungsfrequenz- Vorgehensweise gleicht dem Verfahren der "breiten Straßen", welches bei der Navigation mit dem Omega-System verwendet wird.Another method of determining the offset in the time series of 308-fo carrier phase observations is to use observations of some other observable. This method can be used alone or in combination with the method described above. The other observable can be the phase of another implicit carrier of a different frequency. If the second carrier frequency is sufficiently low, then its wavelength can be large enough that its uncertainty, integer or half-integer, can be resolved, for example by using a priori position information. If the second carrier frequency is close to the frequency of 308-fo, then it may be possible to resolve the integer uncertainty associated with the beat frequency between the two carrier frequencies. The latter beat frequency approach is similar to the "wide roads" method used in navigation with the Omega system.

Ein wesentliches Problem bei der Verwendung irgendeiner anderen Trägerphasenobservablen zur Auflösung der Offset-Unsicherheit besteht darin, daß die neue Observable ihre eigenen Schwierigkeiten bezüglich Offset und Unsicherheit aufweist. Ist die effektive Wellenlänge, die der zweiten Trägerphasenobservablen zugeordnet ist, die entweder direkt verwendet wird, oder indirekt wie im Schwebungsfrequenzfall, sehr groß, dann kann die Unsicherheit bezüglich der ganzzahligen Wellenlänge einfach aufzulösen sein, aber aufgrund derselben Tatsache ist die Genauigkeit der sich ergebenden Positionsbestimmung schlecht. Die Positionsbestimmung ist deswegen schlecht, da im allgemeinen die Ungenauigkeit proportional zur Wellenlänge zunimmt.A major problem with using any other carrier phase observable to resolve the offset uncertainty is that the new observable has its own offset and uncertainty problems. If the effective wavelength associated with the second carrier phase observable, used either directly or indirectly as in the beat frequency case, is very large, then the uncertainty about the integer wavelength may be easy to resolve, but due to the same fact the accuracy of the resulting position fix is poor. The position fix is poor because in general the uncertainty increases proportionally to the wavelength.

Wenn im Gegensatz hierzu die effektive Wellenlänge, die der zweiten Trägerphasenobservablen zugeordnet ist, die entweder direkt oder indirekt wie im Falle einer Schwebungsfrequenzwellenlänge benutzt wird, sehr klein ist, dann ist die potentielle Genauigkeit entsprechend sehr hoch; unglücklicherweise kann es jedoch auftreten, daß dieses Potential nicht genutzt werden kann, da es unmöglich ist, die Unsicherheit bezüglich ganzzahliger Vielfacher aufzulösen.In contrast, if the effective wavelength associated with the second carrier phase observable used either directly or indirectly as in the case of a beat frequency wavelength is very small, then the potential accuracy is correspondingly very high; unfortunately, however, it may happen that this potential cannot be exploited because it is impossible to resolve the uncertainty with respect to integer multiples.

Daher wird in der bevorzugten Ausführungsform eine sich von einer Trägerphasenobservable unterscheidende Observable dazu benutzt, den Offset bei der Trägerphasenbeobachtung zu ermitteln. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die C/A-Code- Gruppenverzögerungsobservable τ für diesen Zweck verwendet. Die C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservable τ ist eine Gruppenverzögerungsobservable. Da der C/A-Code eine periodische Funktion mit einer Periode von 1 Millisekunde ist, weist die sogenannte "Code-Phase", welche die Verzögerung darstellt, die in Code-Perioden Modulo 1 gemessen wird, eine potentielle Unsicherheit von 300 Kilometern auf, nämlich der Entfernung, die ein Signal in 1 Millisekunde zurücklegt. Derartig weit auseinanderliegende Unsicherheiten können einfach mit Hilfe sehr grober a priori-Positionsinformation gelöst werden. Diese Unsicherheit ist auch durch die Verwendung der 50-Bitpro- Sekunde-Navigationsdatenmodulation des GPS-Signals auflösbar, entweder durch Dekodieren der Navigationsnachricht, oder durch Messung der Phase des 25-Hertz-Trägers, welcher dieser Modulation zugeordnet ist. Diese Verfahren zum Auflösen der Unsicherheit bezüglich eines ganzzahligen Vielfachens einer Millisekunde können kombiniert werden.Therefore, in the preferred embodiment, an observable other than a carrier phase observable is used to determine the offset in the carrier phase observation. In the preferred embodiment, the C/A code group delay observable τ is used for this purpose. The C/A code group delay observable τ is a group delay observable. Since the C/A code is a periodic function with a period of 1 millisecond, the so-called "code phase", which represents the delay measured in code periods modulo 1, has a potential uncertainty of 300 kilometers, namely the distance that a signal travels in 1 millisecond. Such widely spaced uncertainties can be easily resolved using very coarse a priori position information. This uncertainty can also be resolved by using the 50-bit-per-second navigation data modulation of the GPS signal, either by decoding the navigation message or by measuring the phase of the 25-hertz carrier associated with this modulation. These methods for resolving uncertainty about an integer multiple of a millisecond can be combined.

Die Genauigkeit der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ ist begrenzt, hauptsächlich durch Rausch- und Mehrwegeffekte, typisch auf einen Wert von etwa 15 Metern. Dies ist der Genauigkeitsgrad, der mit einer verhältnismäßig kurzen Signalintegrationszeit oder -mittlungszeit erhalten werden kann, in der Größenordnung von 1 Sekunde oder weniger. Dieser Genauigkeitsgrad bezieht sich auf die Bandbreite der C/A-Code-Modulation und wird durch diese beherrscht, welche in der Größenordnung von 1 Megahertz liegt. Hierbei ist anzumerken, daß eine Wellenlänge bei 1 Megahertz 300 Meter beträgt, und daß 15 Meter 1/20-stel von 300 Metern sind.The accuracy of the C/A code group delay observable τ is limited, mainly by noise and multipath effects, to a value of typically about 15 meters. This is the level of accuracy that can be obtained with a relatively short signal integration or averaging time, on the order of 1 second or less. This level of accuracy is related to and is governed by the bandwidth of the C/A code modulation, which is on the order of 1 megahertz. Note that a wavelength at 1 megahertz is 300 meters, and that 15 meters is 1/20th of 300 meters.

Die Rausch- und Mehrwegeffekte, welche den Hauptanteil des Fehlers bei einer "momentanen", also über 1 Sekunde gemittelten Messung der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ hervorrufen, sind verhältnismäßig groß, weisen jedoch gewöhnlich keinen wesentlichen Offset auf, in dem Sinn, daß der Fehler dadurch auf einen relativ kleinen Wert verringert werden kann, daß eine Beobachtungsreihe über einen langen Zeitraum gemittelt wird. Größen, die sich auf die Beobachtungen beziehen, beispielsweise Reihen momentaner Positionsermittlungen, wobei jede derartige Ermittlung von C/A-Code-Beobachtungen mehrerer Satelliten zu einem Zeitpunkt abgeleitet wird, können ebenfalls zeitlich gemittelt werden. Allerdings leidet eine derartige Vorgehensweise an der Schwierigkeit, daß die gewünschte Positionsinformation sich zeitlich ändern kann, und daß es gewünscht sein kann, die Position sofort zu ermitteln, nicht auf der Grundlage einer langen Zeitmittlung. Eine konventionelle Zeitmittlung würde nicht akzeptierbare Daten ergeben, die sich auf die mittlere Position des Schiffes 10 während des Integrationszeitraums beziehen, nicht auf dessen aktuelle Position.The noise and multipath effects which cause the majority of the error in an "instantaneous" measurement of the C/A code group delay observable τ, averaged over 1 second, are relatively large, but usually do not exhibit a significant offset, in the sense that the error can be reduced to a relatively small value by averaging a series of observations over a long period of time. Quantities related to the observations, for example series of instantaneous position determinations, each such determination being derived from C/A code observations of several satellites at one time, can be time averaged. However, such an approach suffers from the difficulty that the desired position information may vary over time and that it may be desired to determine the position immediately, not on the basis of a long time averaging. Conventional time averaging would yield unacceptable data relating to the mean position of the vessel 10 during the integration period, not its current position.

Bei der bevorzugten Ausführungsform werden Messungen der C/A- Code- Gruppenverzögerungsobservablen τ zur Positionsbestimmung verwendet, und ein Langzeitmittelwert wird auf solche Weise durchgeführt, daß schwankende Fehler in diesen Beobachtungen verringert oder herausgemittelt werden. Allerdings werden die C/A-Code-Verzögerungsmessungen nicht einfach direkt zeitlich gemittelt, da sich die Position der Empfangsantenne 22 im Verlauf der Zeit ändern kann, und es nicht gewünscht ist, die Positionsinformation zu mitteln.In the preferred embodiment, measurements of the C/A code group delay observable τ are used to determine position, and a long-term average is performed in such a way as to reduce or average out fluctuating errors in these observations. However, the C/A code delay measurements are not simply time averaged directly, since the position of the receiving antenna 22 may change over time and it is not desirable to average the position information.

Statt dessen bestimmt man die Differenz zwischen der 308-foimplizit-Trägerphasenobservablen Φ und der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ für denselben Satelliten zum selben Zeitpunkt, und diese Differenz als Funktion der Zeit wird zeitlich gemittelt. Bevor die Differenz festgestellt wird, müssen selbstverständlich beide Observablen durch dieselben Einheiten ausgedrückt werden, beispielsweise Zeitverzögerung oder entsprechende Entfernung. Eine Bewegung der Antenne 22 oder des Satelliten führt nicht dazu, daß sich diese Differenz ändert, abgesehen von dem Ausmaß, daß eine Bewegung dazu führen kann, daß Fehler wie beispielsweise Mehrwegeffekte schwanken. Auf diese Weise wird der Offset der Differenz zwischen der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ und der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ für jeden Satelliten ermittelt, ohne jegliche ungewünschte Mittlung der sich zeitlich ändernden Information bezüglich der Position.Instead, one determines the difference between the 308fo implicit carrier phase observable φ and the C/A code group delay observable τ for the same satellite at the same time, and this difference as a function of time is time averaged. Of course, before the difference is determined, both observables must be expressed in the same units, such as time delay or corresponding distance. Movement of the antenna 22 or the satellite does not cause this difference to change, except to the extent that movement may cause errors such as multipath to fluctuate. In this way, the offset of the difference between the 308fo implicit carrier phase observable φ and the C/A code group delay observable τ for each Satellites are determined without any unwanted averaging of the time-varying information regarding the position.

Da die Reihe der C/A-Code-Verzögerungsbeobachtungen keinen wesentlichen Offset aufweist, beträgt das Ergebnis der zeitlichen Mittlung der Differenz zwischen der 308-fo-implizit- Trägerphasenobservablen Φ und der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ gerade den Offset der 308-fo-implizit- Trägerphasenobservablen Φ. Nach dieser Ermittlung wird dieser Offset von der ursprünglichen Reihe der Beobachtungen der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ subtrahiert, um eine "neue" Reihe von Beobachtungen der 308-fo-implizit- Trägerphasenobservablen Φ zu erhalten, welche keinen wesentlichen Offset aufweisen, und dennoch ihre ursprüngliche, hervorragende Genauigkeit beibehalten, sowohl bezüglich der Position als auch bezüglich der Zeit.Since the series of C/A code delay observations does not have a significant offset, the result of time averaging the difference between the 308 fo implicit carrier phase observable φ and the C/A code group delay observable τ is just the offset of the 308 fo implicit carrier phase observable φ. After this determination, this offset is subtracted from the original series of observations of the 308 fo implicit carrier phase observable φ to obtain a "new" series of observations of the 308 fo implicit carrier phase observable φ which do not have a significant offset, yet retain their original, excellent accuracy, both in position and in time.

Die Ionosphäre allerdings vergrößert die Gruppenverzögerung und verringert die Phasenverzögerung von Signalen, die von einem Satelliten empfangen werden, wenn beide Verzögerungen so definiert sind, daß eine Verschiebung des Satelliten entlang der Beobachtungslinie zur Empfangsantenne gleiche Änderungen mit gleichem Vorzeichen in beiden Observablen hervorrufen würde. Wenn daher die Differenz zwischen der 308-foimplizit-Trägerphasenobservablen Φ, welche eine Phasenverzögerungsobservable ist, und der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ genommen wird, welche eine Gruppenverzögerungsobservable ist, so gleichen sich die Wirkungen der Ionosphäre nicht aus. Tatsächlich addieren sie sich, wodurch der Effekt verdoppelt wird.The ionosphere, however, increases the group delay and decreases the phase delay of signals received by a satellite if both delays are defined such that a shift of the satellite along the observation line to the receiving antenna would produce equal changes of the same sign in both observables. Therefore, if the difference is taken between the 308-foimplicit carrier phase observable Φ, which is a phase delay observable, and the C/A code group delay observable τ, which is a group delay observable, the effects of the ionosphere do not cancel. In fact, they add together, doubling the effect.

Zur Ausschaltung der Wirkung der Ionosphäreneffekte können gleichzeitige Beobachtungen der Phasen anderer Trägerwellen durchgeführt werden, die implizit in den empfangenen GPS-Signalen enthalten sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die anderen Trägerwellen, die teilweise deswegen beobachtet werden, um Ionosphärenfehler bei der Positionsbestimmung auszuschalten, Wellen mit Frequenzen gleich fo. Ein derartiger fo-Träger ist implizit in den Signalen enthalten, die von jedem Satelliten in dem L1-Band empfangen werden, und einer ist implizit in den L2-Band-Signalen enthalten, die von jedem Satelliten empfangen werden. Die Phasen dieser Träger zeigen die Gruppenverzögerungen der Signale in den beiden Bändern an. Diese beiden Gruppenverzögerungen, und daher die jeweiligen fo-Trägerphasen, werden auf gleiche Weise durch eine Positionsverschiebung des Satelliten entlang der Beobachtungslinie von der Empfangsantenne 22 beeinflußt, also durch eine Änderung der Zeit, die das Signal zur Ausbreitung durch den Raum benötigt. Allerdings werden sie durch die Ionosphäre nicht auf gleiche Weise beeinflußt.To eliminate the effect of ionospheric effects, simultaneous observations can be made of the phases of other carrier waves that are implicitly included in the received GPS signals. In the preferred embodiment, the other carrier waves, which are observed in part to eliminate ionospheric errors in position determination, are waves with frequencies equal to fo. One such fo carrier is implicitly included in the signals received from each satellite in the L1 band, and one is implicitly included in the L2 band signals received by each satellite. The phases of these carriers indicate the group delays of the signals in the two bands. These two group delays, and hence the respective fo carrier phases, are similarly affected by a shift in position of the satellite along the line of observation from the receiving antenna 22, that is, by a change in the time it takes for the signal to propagate through space. However, they are not similarly affected by the ionosphere.

Die Gruppenverzögerung, welche durch die C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservable τ angezeigt wird, welche von einer Signalkomponente in dem L1-Band abgeleitet wird, und die Gruppenverzögerung, welche durch die L1-Band-implizit-fo-Träger phasenobservablen ψL1 angezeigt wird, werden von den Signalen in demselben Band abgeleitet und weisen gleiche Beiträge von der Ionosphäre auf. Allerdings ist die Gruppenverzögerung, welche durch die L2-Band-implizit-fo-Trägerphasenobservable ψL2 angezeigt wird, um einen Faktor von (77/60)² größer, nämlich um das Quadrat des Verhältnisses der beiden Bandzentrumsfrequenzen. Die Differenz zwischen den Gruppenverzögerungen in den beiden Bändern infolge der Ionosphäre beträgt daher das (2329/3600)-fache der Gruppenverzögerung in dem L1- Band.The group delay indicated by the C/A code group delay observable τ derived from a signal component in the L1 band and the group delay indicated by the L1 band implicit fo carrier phase observable ψL1 are derived from the signals in the same band and have equal contributions from the ionosphere. However, the group delay indicated by the L2 band implicit fo carrier phase observable ψL2 is larger by a factor of (77/60)², namely the square of the ratio of the two band center frequencies. The difference between the group delays in the two bands due to the ionosphere is therefore (2329/3600) times the group delay in the L1 band.

Der Beitrag der Ionosphäre zur Gruppenverzögerung in dem L1- Band wird dadurch ermittelt, daß die Differenz zwischen den fo-Phasenmessungen in dem L2-Band und dem L1-Band mit (3600/ 2329) multipliziert wird. Die fo-Trägerphase wird dadurch in eine Gruppenverzögerung umgewandelt, daß einfach die Phase durch die Trägerfrequenz dividiert wird, welche für jedes Band dieselbe ist.The contribution of the ionosphere to the group delay in the L1 band is determined by taking the difference between the fo phase measurements in the L2 band and the L1 band are multiplied by (3600/ 2329). The fo carrier phase is converted to a group delay by simply dividing the phase by the carrier frequency, which is the same for each band.

Die Differenz zwischen den L2- und den L1-Band-fo-Phasenmessungen weist eine halbzahlige Unsicherheit auf, welche aufgelöst werden soll. Diese Unsicherheit läßt sich einfach auflösen, da der Abstand der Entfernungen entsprechenden Unsicherheiten groß ist, nämlich die Hälfte der Wellenlänge bei einer Frequenz von fo, eine Wellenlänge bei 2 fo oder etwa 30 Meter.The difference between the L2 and the L1 band fo phase measurements has a half-integer uncertainty which needs to be resolved. This uncertainty is easy to resolve because the distance-corresponding uncertainties are large, namely half the wavelength at a frequency of fo, one wavelength at 2 fo, or about 30 meters.

Wie voranstehend erwähnt ist die Differenz zwischen der L2- Band-implizit-fo-Trägerphasenobservablen ψL2 und der L1- Band-implizit-fo-Trägerphasenobservablen ψL1 gegenüber der Ionosphäre empfindlich, jedoch unempfindlich bezüglich der Position des Schiffes 10. Der Effekt der Ionosphäre auf diese Differenzobservable ist a priori als weniger als etwa 15 Meter bekannt, oder weniger als ein halber Zyklus der Phase. Daher gibt es in der Praxis keine signifikante Unsicherheit in der Differenz folgender Größen (L2-Band-implizit-fo- Trägerphasenobservable ψL2) - (L1-Band-implizit-fo-Trägerphasenobservable ψL1). Der Wert des halbzahligen Offsets beträgt Null.As mentioned above, the difference between the L2 band implicit fo carrier phase observable ΨL2 and the L1 band implicit fo carrier phase observable ΨL1 is sensitive to the ionosphere, but insensitive to the position of the ship 10. The effect of the ionosphere on this difference observable is known a priori to be less than about 15 meters, or less than half a cycle of the phase. Therefore, in practice there is no significant uncertainty in the difference between (L2 band implicit fo carrier phase observable ΨL2) - (L1 band implicit fo carrier phase observable ΨL1). The value of the half-integer offset is zero.

Wie voranstehend erwähnt ist die Wirkung der Ionosphäre auf die 308-fo-L1-Band-Zentrumsfrequenzträgerphasenverzögerung gleich der Wirkung auf die L1-Band-Gruppenverzögerung und dieser entgegengesetzt. Daher kann die Wirkung der Ionosphäre auf die "fundamentalen" 308-fo-Trägerphasenobservationen festgestellt und entfernt werden.As mentioned above, the effect of the ionosphere on the 308 fo L1 band center frequency carrier phase delay is equal to and opposite to the effect on the L1 band group delay. Therefore, the effect of the ionosphere on the "fundamental" 308 fo carrier phase observations can be detected and removed.

Selbst wenn man die Ionosphäre nicht berücksichtigen müßte, würden die L1- und L2-Band-fo-Trägerphasenbeobachtungen in nützlicher Weise zur Positionsermittlung beitragen, da jede eine Gruppenverzögerungsmessung darstellt, die zum Zwecke der Ermittlung des Offsets der 308-fo-Trägerphasenbeobachtungen mit Hilfe der voranstehend beschriebenen Differenzbildungs- und Mittelwertbildungsvorgehensweisen in bezug auf die C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservationen nützlich ist. Tatsächlich kann jede fo-Trägerphasenbeobachtung exakter sein als die C/A-Code-Gruppenverzögerungsbeobachtung, da die Satelliten-Signalbandbreite, die zu jeder fo-Trägerphasenbeobachtung beiträgt, in der Größenordnung von 2 fo liegt.Even if one did not have to take the ionosphere into account, the L1 and L2 band fo carrier phase observations would contribute usefully to the position determination, since each represents a group delay measurement useful for the purpose of determining the offset of the 308 fo carrier phase observations with respect to the C/A code group delay observations using the differencing and averaging procedures described above. In fact, each fo carrier phase observation may be more accurate than the C/A code group delay observation, since the satellite signal bandwidth contributing to each fo carrier phase observation is on the order of 2 fo.

Wie voranstehend erläutert variiert die äquivalente Positionsungenauigkeit einer Gruppenverzögerungsmessung umgekehrt proportional zur Bandbreite des Signals, welches zur Gruppenverzögerungsmessung beiträgt. Die Bandbreite, 2 fo, die zu den fo-Trägerphasenmessungen beiträgt, beträgt das 10-fache der Bandbreite von 1 Megahertz, welche bei der C/A-Code-Gruppenverzögerungsbeobachtung mitwirkt.As explained above, the equivalent positional uncertainty of a group delay measurement varies inversely proportional to the bandwidth of the signal contributing to the group delay measurement. The bandwidth, 2 fo, contributing to the fo carrier phase measurements is 10 times the bandwidth of 1 megahertz contributing to the C/A code group delay observation.

Ein weiterer Vorteil der 10-mal größeren Bandbreite der fo- Trägerphasenbeobachtungen besteht darin, daß diese Beobachtungen aus diesem Grunde unempfindlich auf Mehrfachweg-Störungen von reflektierten Signalen sind, deren überschüssige Ausbreitungsweglänge, in bezug auf jene des direkt empfangenen Signals, größer als etwa 30 Meter ist, wobei die effektive Wellenlänge der Bandbreite von 2 fo entspricht. Im Gegensatz hierzu sind die C/A-Code-Verzögerungsmessungen empfindlich auf reflektierte Signale, mit übermäßigen Weglängen von bis zu etwa 300 Metern, wobei die effektive Wellenlänge der Bandbreite von etwa 1 Megahertz entspricht. Daher helfen die fo-Trägerphasenmessungen wesentlich dabei, die Wirkungen der Mehrfachweg-Störungen auf die Positionsermittlung zu verringern, insbesondere bei einem Schiff 10, bei welchem sich die Antenne 22 oben an einem Mast mit einer Höhe in der Größenordnung von 30 Metern befinden kann.A further advantage of the 10 times greater bandwidth of the fo carrier phase observations is that these observations are therefore insensitive to multipath interference from reflected signals whose excess propagation path length, with respect to that of the directly received signal, is greater than about 30 meters, where the effective wavelength corresponds to the bandwidth of 2 fo. In contrast, the C/A code delay measurements are sensitive to reflected signals with excess path lengths of up to about 300 meters, where the effective wavelength corresponds to the bandwidth of about 1 megahertz. Therefore, the fo carrier phase measurements help significantly to reduce the effects of multipath interference on position determination. in particular in the case of a ship 10 in which the antenna 22 may be located at the top of a mast with a height of the order of 30 metres.

Die fo-Trägerphasenmessungen können wie voranstehend erläutert dazu verwendet werden, den Offset in den 308-fo-Trägerphasenmessungen zu ermitteln, ob nun die C/A-Code-Verzögerungsmessungen verwendet werden oder nicht, und ob nun die verzögerungsverriegelte Schleife, welche den Korrelator 632 und den C/A-Code-Generator 636 umfaßt, durch die Wirkung der Verzögerungsfehlersignale 688 und 692 verriegelt ist oder nicht. Wie voranstehend erläutert erfordert es die Funktion des Korreiators 632, der normalerweise dafür nötig ist, genaue 308-fo-Trägerphasenmessungen von dem Korrelator 632 und dem Phasenregister 616 zu erhalten, daß der Verzögerungsschätzwert 696 von dem Verzögerungsregister 672 innerhalb von weniger als einem Stück des C/A-Codes exakt ist. Allerdings sollte in diesem Zusammenhang berücksichtigt werden, daß diese Stückbreite etwa 300 Metern Weglänge entspricht, und daß eine Positionsinformation, die innerhalb der erforderlichen 300 Meter exakt ist, wie voranstehend erläutert, aus anderen Quellen erhalten werden könnte.The fo carrier phase measurements can be used, as explained above, to determine the offset in the 308 fo carrier phase measurements whether or not the C/A code delay measurements are used and whether or not the delay locked loop comprising the correlator 632 and the C/A code generator 636 is locked by the action of the delay error signals 688 and 692. As explained above, the operation of the correlator 632, which is normally necessary to obtain accurate 308 fo carrier phase measurements from the correlator 632 and the phase register 616, requires that the delay estimate 696 from the delay register 672 be accurate to within less than one piece of the C/A code. However, it should be taken into account in this context that this patch width corresponds to approximately 300 meters of path length, and that position information accurate within the required 300 meters, as explained above, could be obtained from other sources.

Der Satelliten-Verfolgungskanal 32 enthält eine Einrichtung zur Erzeugung von Messungen der fo-Trägerphasen in bezug auf einen Schätzwert, der von dem Verzögerungsregister 672 erzeugt wird. Diese Messungen von fo-Trägerphasen werden dem Echtzeitcomputer 40 zugeführt, in welchem eine Verfolgung mit geschlossener Schleife durchgeführt wird, durch Ausführung eines gespeicherten Programms entsprechend Standardverfahren, die im Stand der Technik wohl bekannt sind. Vorzugsweise wird die Verfolgung mit geschlossenen Schleifen der fo-Trägerphasen in dem Echtzeitcomputer 40 durchgeführt, statt durch spezielle Hardware in dem Satelliten-Verfolgungskanal 32, da sich diese Phasen so langsam ändern.The satellite tracking channel 32 includes means for producing measurements of the fo carrier phases relative to an estimate produced by the delay register 672. These measurements of fo carrier phases are fed to the real-time computer 40 in which closed loop tracking is performed by executing a stored program in accordance with standard procedures well known in the art. Preferably, closed loop tracking of the fo carrier phases is performed in the real-time computer 40 rather than by special hardware in the satellite tracking channel 32 since these phases change so slowly.

Ein weiterer Grund dafür, daß es wünschenswert ist, getrennte Schätzwerte für die Phasenverzögerung oder "Phase", und für die Gruppenverzdgerung oder "Verzögerung" mit getrennten Phasen- und Verzögerungsregistern zu erzeugen besteht darin, daß aus einer Vielzahl möglicher Gründe eine gültige Messung einer Observablen, jedoch nicht der anderen, zu einem gegebenen Zeitpunkt möglich sein kann. Die Phasen- und Verzögerungsregister 616 und 672 weisen die Fähigkeit des "Freilaufs" oder Koppelns auf, selbst in Abwesenheit von Rateninformation von dem Echtzeitcomputer 40, infolge der Wirkung des Phasenaddierers 898 und des Trägerfrequenz- oder 16-Bit-Frequenzregisters 902, gezeigt in Fig. 13.Another reason it is desirable to produce separate estimates for the phase delay or "phase" and for the group delay or "delay" with separate phase and delay registers is that, for a variety of possible reasons, a valid measurement of one observable but not the other may be possible at a given time. The phase and delay registers 616 and 672 have the ability to "free-run" or lock even in the absence of rate information from the real-time computer 40 due to the action of the phase adder 898 and the carrier frequency or 16-bit frequency register 902 shown in Figure 13.

Wie voranstehend erläutert versuchen die phasenverriegelten Schleifen und die verzögerungsverriegelten Schleifen in dem Endgerät 23 im allgemeinen eine Verfolgung von Trägerphasen und C/A-Code-Verzögerungen mit Hilfe einer Fehlererfassungs- und Rückkopplungssteuerung. Jede Schleife ist in dem Sinne, daß ihr Ausgangssignal den anderen Schleifen helfen kann, und auch in dem Sinne, daß ihr von den Ausgangssignalen der anderen Schleifen geholfen werden kann, an die anderen Schleifen gekoppelt. Diese Kopplung kann in dem Satelliten-Verfolgungskanal 32 und ebenso in dem Echtzeitcomputer 40 vorgesehen sein, welcher Schätzwerte 38 dem Satelliten-Verfolgungskanal 32 zuführt und in Reaktion hierauf Messungen 42 empfängt. Diese Kopplung kann sich über das Endgerät 23 hinaus erstrecken, beispielsweise bis zum Datenverarbeitungszentrum 20, welches wie unter Bezug auf Fig. 1 erläutert Daten mit dem Endgerät 23 durch die Datenverbindung 21 austauscht.As explained above, the phase-locked loops and delay-locked loops in the terminal 23 generally attempt to track carrier phases and C/A code delays using error detection and feedback control. Each loop is coupled to the other loops in the sense that its output can help the other loops and also in the sense that it can be helped by the outputs of the other loops. This coupling may be provided in the satellite tracking channel 32 and also in the real-time computer 40 which provides estimates 38 to the satellite tracking channel 32 and receives measurements 42 in response. This coupling may extend beyond the terminal 23, for example to the data processing center 20 which exchanges data with the terminal 23 through the data link 21 as explained with reference to FIG. 1.

Die Erzeugung exakter Schätzwerte für die Phasen- und Verzögerungsobservablen kann durch eine externe Informationseingabe 44 von Schiffpositions- und Geschwindigkeitsinformation 50 unterstützt werden, wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert. Die Schiffspositions- und Geschwindigkeitsinformation 50 kann sowohl Translations- als auch Rotationsinformation aufweisen, und kann nicht nur Schätzwerte für den Translations- und Rotationszustand des Schiffes umfassen, sondern auch statistische Information, die sich auf diesen Zustand bezieht, beispielsweise Wind- und Seebedingungen. Die statistische Information kann dazu verwendet werden, die dynamische Verfolgungsleistung einer Schleife zu optimieren. Rotationsinformation kann Information bezüglich des Rollens, Stampfens und Gierens des Schiffes umfassen. Derartige Information kann in dem Echtzeitcomputer 40 mit Information bezüglich der Richtungen der Satelliten kombiniert werden, um eine Verdeckung der Beobachtungslinie zu einem Satelliten vorherzusagen oder abzuschätzen, und/oder das Vorhandensein einer Reflexion des Signals von dem Satelliten durch einen Teil des Schiffes 10 oder die Meeresoberfläche.The generation of accurate estimates for the phase and delay observables may be assisted by an external information input 44 of ship position and speed information 50, as described with reference to Fig. 2 The vessel position and speed information 50 may include both translation and rotation information, and may include not only estimates of the translation and rotation state of the vessel, but also statistical information related to that state, such as wind and sea conditions. The statistical information may be used to optimize the dynamic tracking performance of a loop. Rotation information may include information regarding the roll, pitch and yaw of the vessel. Such information may be combined in the real-time computer 40 with information regarding the directions of the satellites to predict or estimate occlusion of the line of sight to a satellite, and/or the presence of a reflection of the signal from the satellite by a portion of the vessel 10 or the sea surface.

Kehrt man nun zu den Einzelheiten des Betriebs der Verfolgungsschleifen in dem Satelliten-Verfolgungskanal 32 des Endgerätes 23 zurück, so wird darauf hingewiesen, daß zwar der Betrieb jeder Schleife durch Eingangswerte von anderen Quellen unterstützt werden kann, jedoch jede Schleife auch autonom arbeiten kann. Beispielsweise kann die C/A-Code-Verzögerungsverfolgungsschleife in dem Satelliten-Verfolgungskanal 32 so arbeiten, daß sie eine Verzögerungsverriegelung aufrechterhält, unabhängig davon, ob irgendeine zugehörige Phasenverfolgungsschleife verriegelt ist. Wie voranstehend erläutert muß die "Dreh"-Winkelrate des Phasenschätzwertes 612, die in dem Zählerrotator 610 verwendet wird, innerhalb von plus oder minus etwa 50 Hertz der Zeigerdrehrate des empfangenen Signals liegen, damit eine konstruktive Integration des Signals im Korrelator 632 erfolgen kann, welche einen Teil der Verzögerungsverfolgungsschleife bildet. Allerdings kann eine ausreichend exakte Drehrate bequem aus externer Information berechnet werden, ohne eine Phasenverriegelung zu erfordern.Returning now to the details of the operation of the tracking loops in the satellite tracking channel 32 of the terminal 23, it should be noted that while the operation of each loop may be assisted by inputs from other sources, each loop may also operate autonomously. For example, the C/A code delay tracking loop in the satellite tracking channel 32 may operate to maintain a delay lock regardless of whether any associated phase tracking loop is locked. As previously explained, the "spin" angular rate of the phase estimate 612 used in the counter rotator 610 must be within plus or minus about 50 hertz of the pointer rotation rate of the received signal in order to allow constructive integration of the signal in the correlator 632 which forms part of the delay tracking loop. However, a sufficiently accurate rotation rate may be conveniently derived from external information calculated without requiring phase locking.

Entsprechend kann eine Phasenverfolgungsschleife so arbeiten, daß sie eine Phasenverriegelung aufrechterhält, ob nun eine zugehörige verzögerungsverriegelte Schleife verriegelt ist oder nicht. Selbst in Zuständen einer "offenen Schleife", oder unverriegelten Zuständen, können Phasen- und Verzögerungsschätzwerte mit ausreichender Genauigkeit mit Hilfe unterstützender Informationseingaben von internen und externen Quellen aufrechterhalten werden, wie voranstehend bereits erläutert.Accordingly, a phase tracking loop can operate to maintain phase lock whether an associated delay-locked loop is locked or not. Even in "open loop" or unlocked states, phase and delay estimates can be maintained with sufficient accuracy using supporting information inputs from internal and external sources, as discussed above.

Jede Rückkopplungsschleife ist weiterhin mit Einrichtungen versehen, um zu erkennen, welche ihrer mehreren Informationseingangswerte vermutlich gültig ist und daher verwendet werden soll. In einigen Fällen erfolgt die Gültigkeitsentscheidung am besten durch den Echtzeitcomputer 40, auf der Grundlage des Einsatzes von Kriterien für "Vernünftigkeit" und gegenseitige Konsistenz auf die mehreren verfügbaren Eingangswerte. Allerdings werden Gültigkeitsentscheidungen auch innerhalb des Satelliten-Verfolgungskanals 32 durchgeführt. Beispielsweise kann der Korrelator 632 einen Komparator enthalten, etwa die in Fig. 10 gezeigte zeitgleiche Signalenergieanzeige 348, bei welcher die empfangene Signalstärke alle 0,01 Sekunden mit einem berechneten Schwellenwert verglichen wird. Nur wenn das Signal die Schwelle überschreitet, wird ein Phasenfehlersignal, welches vom Korrelator 632 erzeugt wird, an das Phasenregister 616 angelegt, um den darin enthaltenen Phasenschätzwert entsprechend einzustellen.Each feedback loop is further provided with means for identifying which of its multiple information inputs is likely to be valid and therefore should be used. In some cases, the validity decision is best made by the real-time computer 40 based on applying criteria of "reasonableness" and mutual consistency to the multiple available inputs. However, validity decisions are also made within the satellite tracking channel 32. For example, the correlator 632 may include a comparator, such as the concurrent signal energy indicator 348 shown in Figure 10, in which the received signal strength is compared to a calculated threshold every 0.01 seconds. Only when the signal exceeds the threshold is a phase error signal generated by the correlator 632 applied to the phase register 616 to adjust the phase estimate contained therein accordingly.

Der Inhalt des Verzögerungsregisters 672 ist durch direkte Eingabe eines berechneten Wertes für die Verzögerung von dem Echtzeitcomputer 40 einstellbar, wie in Fig. 2 gezeigt, und ebenso durch die Rückkopplungssteuerwirkung der Verzögerungsfehlersignale 668 und 670, die von dem Korrelator 632 erzeugt und an das Verzögerungsregister 672 zurückgeführt werden. Der Inhalt des Verzögerungsregisters 672 wird ebenfalls eingestellt durch die Inkrementier- bzw. Dekrementier-Signale 620 bzw. 622 von dem Phasenregister 616. Diese Inkrementierungs- und Dekrementierungs-Signale können einen exakten Verzögerungsschätzwert im Verzögerungsregister 672 selbst in Abwesenheit der Verzögerungsfehler-Rückkopplungssignale 668 und 670 aufrechterhalten. Wie voranstehend erwähnt empfängt das Phasenregister 616 selbst dauernd Einstellwerte, die sowohl von externer Information als auch von Messungen des empfangenen Signals abgeleitet werden.The contents of the delay register 672 are adjustable by direct input of a calculated value for the delay from the real-time computer 40, as shown in Fig. 2, and also by the feedback control action of the delay error signals 668 and 670 generated by the correlator 632. and fed back to the delay register 672. The contents of the delay register 672 are also adjusted by the increment and decrement signals 620 and 622, respectively, from the phase register 616. These increment and decrement signals can maintain an accurate delay estimate in the delay register 672 even in the absence of the delay error feedback signals 668 and 670. As mentioned above, the phase register 616 itself continually receives adjustment values derived from both external information and from measurements of the received signal.

Das Ausgangs-Videosignal 630 vom Zählerrotator 610 wird an den Korrelator 632 angelegt, in welchem es an Mischer 638, 640 und 642 angelegt wird, zur Multiplikation oder Kreuzkorrelation mit der C/A-Code-Nachbildung 634, die von dem C/A- Code-Generator 636 erzeugt wird. Die C/A-Code-Nachbildung 634 wird direkt dem Mischer 642 und dann dem Mischer 640 zugeführt, nachdem sie zeitlich verzögert wurde, und zwar um einen Betrag, welcher gleich der halben Breite eines C/A- Code-Stückes ist.The output video signal 630 from counter rotator 610 is applied to the correlator 632 where it is applied to mixers 638, 640 and 642 for multiplication or cross-correlation with the C/A code replica 634 generated by the C/A code generator 636. The C/A code replica 634 is applied directly to mixer 642 and then to mixer 640 after being delayed in time by an amount equal to half the width of a C/A code piece.

Der C/A-Code ist der Satelliten-spezifische, pseudostatistische Binärcode, auf dessen Grundlage der momentane Zeiger, welcher das GPS-Satelliten-Signal repräsentiert, zwischen den beiden Punkten auf dem Kreis hin- und hergeschaltet wird, die um 1800 auseinander liegen. Der Code ist binär, so daß also die Phase zwischen nur zwei Werten hin- und herschaltet, und das zeitliche Muster der Hin- und Herschaltung ist periodisch mit einer Periode von 1 Millisekunde. Dies kann man so ausdrücken, daß der Code eine binäre Funktion repräsentiert, die einen Wert von Null aufweist, wenn sich der momentane Signalzeiger in einer Position befindet, und einen Wert von Eins, wenn sich der Zeiger in der anderen Position befindet.The C/A code is the satellite-specific, pseudo-statistical binary code based on which the instantaneous pointer representing the GPS satellite signal is switched between the two points on the circle, which are 180° apart. The code is binary, so that the phase switches between only two values, and the timing pattern of the switching is periodic with a period of 1 millisecond. This can be expressed as the code representing a binary function that has a value of zero when the instantaneous signal pointer is in one position and a value of one when the pointer is in the other position.

Die Funktion ist eine periodische Funktion der Zeit mit einer Periode von 1 Millisekunde.The function is a periodic function of time with a period of 1 millisecond.

Während der Periode von 1 Millisekunde schaltet die C/A-Code- Funktion hin und zurück an Zeiten, und zwar nur an solchen Zeiten, welche ganzzahlige Vielfache von 1/1023 einer Millisekunde sind. Jedes der Intervalle zwischen diesen Zeiten, d. h. jedes 1023-stel einer Millisekunde, ist als ein "Stück" des Codes oder ein "Code-Stück" bekannt. In der Verzögerungsschaltung 644 wird die C/A-Code-Nachbildung 634 um die Hälfte eines Stücks verzögert, um die um ein halbes Stück verzögerte Version 646 zu erhalten, die an den Mischer 640 zur Korrelation mit dem Ausgangs-Videosignal 630 angelegt wird. Das Ausgangssignal des Mischers 640 wird 0,01 Sekunden lang durch den Integrator 674 integriert und an den Arcus-Tangensgenerator 678 angelegt, welcher das Phasensignal 680 erzeugt, ein Maß für die Phase des Ausgangs-Videosignals 630, wobei die schnelle biphasische Umschaltung von dem Signal entfernt wurde, und das Signal über 0,01 Sekunden gemittelt wurde. Das Phasensignal 680 ist das Ausgangssignal des zeitgleichen Korrelationskanals und wird an den Summierer 632 zusammen mit dem Ratenschätzwert 684 von dem Echtzeitcomputer 40 angelegt.During the 1 millisecond period, the C/A code function switches back and forth at times, and only at times, that are integer multiples of 1/1023 of a millisecond. Each of the intervals between these times, i.e., each 1023rd of a millisecond, is known as a "slice" of code or a "code slice." In delay circuit 644, C/A code replica 634 is delayed by half a slice to obtain half-slice delayed version 646, which is applied to mixer 640 for correlation with output video signal 630. The output of mixer 640 is integrated for 0.01 seconds by integrator 674 and applied to arctangent generator 678 which produces phase signal 680, a measure of the phase of output video signal 630 with the fast biphasic switching removed from the signal and the signal averaged over 0.01 seconds. Phase signal 680 is the output of the simultaneous correlation channel and is applied to summer 632 along with rate estimate 684 from real-time computer 40.

Der Kanal des Korrelators, welcher den Mischer 640, den Integrator 674 und den Arcus-Tangensgenerator 678 aufweist, wird als der zeitgleiche Kanal bezeichnet, da die um ein halbes Stück verzögerte Nachbildung 646, die mit dem Ausgangs-Videosignal 630 in diesem Kanal korreliert ist, "zeitgleich" sein soll, so daß die um ein halbes Stück verzögerte Nachbildung 646 synchron mit dem gewünschten Satelliten-Signal, welches in dem Ausgangs-Videosignal 630 enthalten ist, hin- und herschaltet. Die anderen beiden der drei gleichen Kanäle des Korrelators werden der "frühe" Kanal und der "späte" Kanal genannt, da die C/A-Code-Nachbildungen 634 und 650 früher bzw.The channel of the correlator which includes the mixer 640, the integrator 674 and the arctangent generator 678 is referred to as the coincident channel because the half-delayed replica 646 correlated with the output video signal 630 in that channel is intended to be "concurrent" so that the half-delayed replica 646 switches back and forth in synchronism with the desired satellite signal contained in the output video signal 630. The other two of the three coincident channels of the correlator are called the "early" channel and the "late" channel because the C/A code replicas 634 and 650 are earlier and later, respectively.

später hin- und herschalten als die "zeitgleiche", um ein halbes Stück verzögerte Nachbildung 646. Der Hauptzweck der frühen und späten Kanäle besteht darin, die Feststellung eines Fehlers in dem Verzögerungsschätzwert 696 zu ermöglichen.later than the "simultaneous" half-delayed replica 646. The primary purpose of the early and late channels is to enable detection of an error in the delay estimate 696.

Die um ein halbes Stück verzögerte Nachbildung 646 wird um ein halbes Stück in der Verzögerungsschaltung 648 verzögert, um so die um ein volles Stück verzögerte Nachbildung 650 zu erzeugen, die an den Mischer 638 angelegt wird. Daher wird in den Mischern 638, 640 und 642 das Ausgangs-Videosignal 630 mit derselben Code-Sequenz korreliert, abgesehen von den Differenzen um ein halbes Stück bezüglich der Verzögerung. Der Mischer 638 erzeugt das Mischer-Ausgangssignal 652, welches vom Integrator 654 0,01 Sekunden integriert wird, bevor es dem Quadrierer 656 zugeführt wird. Entsprechende Operationen werden mit dem Ausgangssignal des Mischers 642 durch den Integrator 660 und den Quadrierer 662 durchgeführt.The half-delayed replica 646 is delayed by half in delay circuit 648 to produce the full-delayed replica 650 which is applied to mixer 638. Therefore, in mixers 638, 640 and 642, the output video signal 630 is correlated to the same code sequence except for the half-delay differences in delay. Mixer 638 produces mixer output 652 which is integrated by integrator 654 for 0.01 seconds before being applied to squarer 656. Similar operations are performed on the output of mixer 642 by integrator 660 and squarer 662.

Wenn die Verzögerung der Schaltfunktion, die in dem C/A-Code- Generator 636 erzeugt wird, nachdem sie um ein halbes Stück in der Verzögerungsschaltung 644 verzögert wurde, exakt zu jener des Ausgangs-Videosignals 630 paßt, oder wenn mit anderen Worten die um ein halbes Stück verzögerte Nachbildung 646 synchron zum Ausgangs-Videosignal 630 umschwingt oder hin- und herschaltet, dann ist das späte Korrelations-Ausgangssignal 658 im wesentlichen gleich dem frühen Korrelations- Ausgangssignal 664. Daher ergeben die frühen und die späten Kanäle des Korrelators 632 gleiche Ausgangssignale, abgesehen selbstverständlich von einer geringfügigen Schwankung infolge von Rauschen.If the delay of the switching function produced in the C/A code generator 636 after being delayed by one-half in the delay circuit 644 exactly matches that of the output video signal 630, or in other words, if the half-delayed replica 646 swings or switches in synchronism with the output video signal 630, then the late correlation output signal 658 is substantially equal to the early correlation output signal 664. Therefore, the early and late channels of the correlator 632 produce equal output signals, except, of course, for a slight variation due to noise.

Das späte Korrelations-Ausgangssignal 658 zeigt die Signalenergie an, die durch die Kreuzkorrelation zwischen dem Ausgangs-Videosignal 630 und der um ein volles Stück verzögerten Nachbildung 650 während jeder Integrationsperiode von 0,01 Sekunden ermittelt wird. Entsprechend zeigt das frühe Korrelations-Ausgangssignal 664 die Signalenergie an, die durch die Kreuzkorrelation zwischen dem Ausgangs-Videosignal 630 und der C/A-Code-Nachbildung 634 erfaßt wird. Wenn das Ausgangs-Videosignal 630 eine Phasenumschaltung gleichzeitig mit der "zeitgleichen", um ein halbes Stück verzögerten Nachbildung 646 durchführt, dann ergibt die Korrelation mit der um ein volles Stück verzögerten Nachbildung 650 und die Korrelation mit der C/A-Code-Nachbildung 634 denselben Wert.The late correlation output signal 658 indicates the signal energy caused by the cross-correlation between the output video signal 630 and the one-bit delayed replica 650 during each 0.01 second integration period. Similarly, early correlation output 664 indicates the signal energy captured by the cross-correlation between output video signal 630 and C/A code replica 634. If output video signal 630 undergoes a phase switch simultaneously with "in-time" half-delayed replica 646, then the correlation with full-delayed replica 650 and the correlation with C/A code replica 634 will yield the same value.

Wenn andererseits das empfangene Signal etwas früher ankommt, so ist das frühe Korrelations-Ausgangssignal 664 größer als das späte Korrelations-Ausgangssignal 658. Ob der lokal erzeugte Code zu früh oder zu spät erzeugt wird, in bezug auf das empfangene Signal, wird ermittelt durch den Vergleich des späten Korrelations-Ausgangssignals 658 mit dem frühen Korrelations-Ausgangssignal 664 in dem Komparator 666. Die Ausgangssignale 668 und 670 des Komparators 666 zeigen an, ob der früher Korrelatorkanal oder der späte Korrelatorkanal ein höheres Ausgangssignal aufwies. Daher zeigen die Ausgangssignale 668 und 670 des Komparators 666 an, ob die C/A-Code- Nachbildung 634 von dem C/A-Code-Generator 636 früher oder später erzeugt werden sollte, um die zeitgleiche, um ein halbes Stück verzögerte Nachbildung 646 an das Signal im Ausgangs-Videosignal 630 anzupassen.On the other hand, if the received signal arrives slightly earlier, the early correlation output 664 is greater than the late correlation output 658. Whether the locally generated code is generated too early or too late with respect to the received signal is determined by comparing the late correlation output 658 with the early correlation output 664 in the comparator 666. The outputs 668 and 670 of the comparator 666 indicate whether the early correlator channel or the late correlator channel had a higher output. Therefore, the output signals 668 and 670 of the comparator 666 indicate whether the C/A code replica 634 should be generated by the C/A code generator 636 earlier or later in order to match the simultaneous, half-delayed replica 646 to the signal in the output video signal 630.

Ergibt die späte Korrelation ein höheres Ausgangssignal, so daß der lokal erzeugte Code als zu früh erscheint, und daher verzögert werden sollte, um ihn in Ausrichtung mit dem empfangenen Signal zu bringen, so ist das Komparator-Ausgangssignal 668 "wahr". Das Komparator-Ausgangssignal 668 wird an das Verzögerungsregister 672 angelegt und führt dazu, daß der Verzögerungsschätzwert 696, der in dem Verzögerungsregister 672 enthalten ist und durch dieses erzeugt wird, und an den C/A- Code-Generator 636 angelegt wird, um die Verzögerung der Code- Erzeugung zu steuern, erhöht wird.If the late correlation produces a higher output such that the locally generated code appears to be too early and should therefore be delayed to bring it into alignment with the received signal, the comparator output 668 is "true". The comparator output 668 is applied to the delay register 672 and causes the delay estimate 696 stored in the delay register 672 contained in and generated by the same and applied to the C/A code generator 636 to control the delay of code generation.

Eine Erhöhung des Wertes für den Verzögerungsschätzwert 696 führt dazu, daß die C/A-Code-Nachbildung 634 früher erzeugt wird, nicht später, wie man ansonsten aus der Bezeichnung "Verzögerung" schließen könnte. Das Verzögerungsregister 672 wird als das "Verzögerungs"-Register bezeichnet, um seine Funktion von der Funktion des Phasenregisters 616 zu unterscheiden. Durch Rückkopplungssteuerung wird der Inhalt des Verzögerungsregisters 672 dazu veranlaßt, die Gruppenverzögerung der C/A-Code-Komponente des empfangenen Satelliten-Signals zu verfolgen. Der Begriff "Gruppenverzögerung", der allgemein in der Physik sowie in der Radiointerferometrie in der Erdvermessung und der Astronomie verwendet wird, gibt den negativen Wert der Ableitung der Phase des Signals in bezug auf die Frequenz an. "Gruppenverzögerung" ist auch als "Hüllenverzögerung" sowie als "Modulationsverzögerung" in der Elektrotechnik und in der Kommunikationstechnik bekannt. Kommt ein Signal später an, so ist seine Gruppenverzögerung erhöht. Gruppenverzögerungsobservable werden manchmal als "Pseudoentfernung" bezeichnet.Increasing the value of delay estimate 696 results in C/A code replica 634 being generated sooner, not later, as might otherwise be inferred from the term "delay." Delay register 672 is referred to as the "delay" register to distinguish its function from that of phase register 616. Through feedback control, the contents of delay register 672 are caused to track the group delay of the C/A code component of the received satellite signal. The term "group delay," commonly used in physics as well as in radio interferometry in geodesy and astronomy, indicates the negative value of the derivative of the phase of the signal with respect to frequency. "Group delay" is also known as "envelope delay" and "modulation delay" in electrical engineering and communications engineering. If a signal arrives later, its group delay is increased. Group delay observables are sometimes referred to as "pseudorange".

Man sollte weiterhin im Gedächtnis behalten, daß einige Observable, die "Phasen" genannt werden, beispielsweise die C/A- Code-Phase und die fo-Trägerphase, grundsätzlich Gruppenverzögerungsobservable sind; dagegen können einige Observable, die ab und zu als "Verzögerung" bezeichnet werden, grundsätzlich Phasenverzögerungsobservable sein.It should also be remembered that some observables called "phases", for example the C/A code phase and the fo carrier phase, are basically group delay observables; whereas some observables that are sometimes called "delay" may be basically phase delay observables.

Wenn bei der bevorzugten Ausführungsform das Satelliten-Signal früher ankommt, so ist seine Gruppenverzögerung vergrößert, jedoch nimmt der Verzögerungsschätzwert 696 ab, und daher ebenfalls der Phasenschätzwert 612, der in dem Phasenregister 616 enthalten ist und durch dieses erzeugt wird. Die Vorzeichen der Inhalte des Verzögerungsschätzwerts 696 und des Verzögerungsregisters 672 sind so definiert, daß beide Inhalte sich in derselben Richtung in Reaktion auf eine Änderung der Entfernung zwischen dem Satelliten und der Antenne 22 ändern. Bewegt sich der Satellit näher, also nimmt die Entfernung des Satelliten ab, dann sollten sowohl der Phasenschätzwert als auch der Verzögerungsschätzwert zunehmen.In the preferred embodiment, if the satellite signal arrives earlier, its group delay is increased, but the delay estimate 696 decreases, and therefore also the phase estimate 612 which is contained in and generated by the phase register 616. The signs of the contents of the delay estimate 696 and the delay register 672 are defined such that both contents change in the same direction in response to a change in the distance between the satellite and the antenna 22. As the satellite moves closer, i.e. the distance of the satellite decreases, both the phase estimate and the delay estimate should increase.

Spezielle Überlegungen müssen bezüglich der besonderen Effekte der Ionosphäre auf die Ausbreitung von Funksignalen durchgeführt werden. Bei den Frequenzen in den GPS-L1- und -L2- Bändern wirkt die Ionosphäre so, daß sie die anscheinende Entfernung des Satelliten vergrößert, die durch die C/A-Code- Gruppenverzögerungsobservable τ angezeigt wird, welche durch das Verzögerungsregister 672 in Zusammenarbeit mit dem Korrelator 632 verfolgt wird. Gleichzeitig arbeitet jedoch dieselbe Ionosphäre so, daß sie die anscheinende Entfernung des Satelliten verringert, die durch die 308-fo-implizit-Trägerphasenobservable Φ angezeigt wird, die durch das Phasenregister 616 in Zusammenarbeit mit dem Korrelator 632 verfolgt wird. Daher geben die 308-fo-implizit-Trägerphasenobservable Φ und die C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservable τ widersprechende Anzeigen der anscheinenden Änderung der Entfernung vom Satelliten zum Empfänger, die durch die Ionosphäre hervorgerufen wird.Special considerations must be made regarding the special effects of the ionosphere on the propagation of radio signals. At frequencies in the GPS L1 and L2 bands, the ionosphere acts to increase the apparent range of the satellite indicated by the C/A code group delay observable τ, which is tracked by the delay register 672 in cooperation with the correlator 632. At the same time, however, the same ionosphere acts to decrease the apparent range of the satellite indicated by the 308 fo implicit carrier phase observable φ, which is tracked by the phase register 616 in cooperation with the correlator 632. Therefore, the 308 fo implicit carrier phase observable φ and the C/A code group delay observable τ give conflicting indications of the apparent change in distance from the satellite to the receiver caused by the ionosphere.

Eine Erhöhung der Ionosphärendichte veranlaßt daher eine Erhöhung des Phasenschätzwertes 612, als ob sich der Satellit näher bewegt hätte, und dieselbe Erhöhung der Ionosphärendichte verursacht eine Verringerung der L1-Band-implizitfo-Trägerphasenobservablen ψL1 und der L2-Band-implizitfo-Trägerphasenobservablen ψL2. Diese Phasenobservablen beziehen sich auf die Gruppenverzögerungen, nicht die Phasenverzögerungen, der in den L1- und L2-Bändern empfangenen Signale.An increase in ionospheric density therefore causes an increase in the phase estimate 612 as if the satellite had moved closer, and the same increase in ionospheric density causes a decrease in the L1 band implicit carrier phase observable ψL1 and the L2 band implicit carrier phase observables ψL2. These phase observables refer to the group delays, not the phase delays, of the signals received in the L1 and L2 bands.

Die Gruppenverzögerung für jedes Band, und daher die Phasenverschiebung des fo-Trägers, der implizit in den in jedem Band empfangenen Signalen enthalten ist, ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Zentrumsfrequenz jedes Bandes. Ein vorgegebener Betrag der Ionisierung entlang dem Weg durch die obere Atmosphäre zwischen dem Satelliten und dem Empfänger verursacht daher eine Verringerung der Phase des L1-fo- Trägers, die gleich dem (77/60)²fachen der Verringerung der Phase der L2-fo-Trägerphase ist. Beide fo-Trägerphasen werden verringert, wogegen die Zentrumsfrequenz-implizit- Trägerphase in jedem Band, also die 308-fo-Trägerphase für das L1-Band, vergrößert wird.The group delay for each band, and hence the phase shift of the fo carrier implicitly contained in the signals received in each band, is inversely proportional to the square of the center frequency of each band. A given amount of ionization along the path through the upper atmosphere between the satellite and the receiver therefore causes a reduction in the phase of the L1 fo carrier equal to (77/60)2 times the reduction in the phase of the L2 fo carrier phase. Both fo carrier phases are reduced, whereas the center frequency implicit carrier phase in each band, i.e. the 308 fo carrier phase for the L1 band, is increased.

Eine weitere, ins einzelne gehende Diskussion von Fig. 14 ergibt, daß dann, wenn das lokal erzeugte Code-Modell eine zu geringe Verzögerung zu haben scheint, oder früher umschaltet als das Satellitensignal im Ausgangs-Videosignal 630, das Ausgangs-Signal 686 wahr wäre und dazu führen würde, daß der Inhalt des Verzögerungsregisters 672 verringert würde. Daher bildet der Korrelator 632 zusammen mit dem Verzögerungsregister 672 eine geschlossene Rückkopplungsschleife, welche eine Zahl im Verzögerungsregister 672 aufrechterhält, welche die Variationen der Phasenumschaltverzögerung des empfangenen Signals verfolgt und daher eine Messung oder eine Schätzung der Verzögerung im Ausgangs-Videosignal 630 darstellt.Further detailed discussion of Figure 14 reveals that if the locally generated code model appears to have too little delay, or switches earlier than the satellite signal in the output video signal 630, the output signal 686 would be true and would cause the contents of the delay register 672 to be reduced. Therefore, the correlator 632, together with the delay register 672, forms a closed feedback loop which maintains a number in the delay register 672 which tracks the variations in the phase switching delay of the received signal and therefore represents a measurement or an estimate of the delay in the output video signal 630.

Wie voranstehend erläutert weist die C/A-Code-Funktion 1023 Stücke auf. In dem frühen und späten Kanal des Korrelators 632 wurden nur zwei mögliche Verzögerungen des Codes, die um ein Stück beabstandet sind, mit dem Signal korreliert. Wenn die Verzögerung des Signals von jener verschieden ist, die in dem Verzögerungsregister 672 enthalten ist, um mehr als ein Stück, so ergibt selbstverständlich weder der späte Kanal, der durch den Mischer 638, den Integrator 654 und den Quadrierer 656 gebildet wird, noch der frühe Kanal, der durch den Mischer 642, den Integrator 660 und den Quadrierer 662 gebildet wird, eine signifikante Korrelation. Diese Situation, in welcher kein Korrelatorkanal eine signifikante Korrelation ergibt, kann während der Initialisierung auftreten, wenn der Anfangswert des Verzögerungsregisters 672 nicht ausreichend mit der momentanen Signalverzögerung übereinstimmt. Wenn in keinem der Korrelatorkanäle eine ausreichende Leistung ermittelt wird, dann muß das Verzögerungsregister 672 zu jedem Zeitpunkt geringfügig inkrementiert werden, bis sämtliche 1023 möglichen Stückverzögerungen versucht wurden, oder bis sich eine Korrelation mit dem Signal ergibt.As explained above, the C/A code function has 1023 pieces. In the early and late channels of the correlator 632, only two possible delays of the code, spaced by one piece, were correlated with the signal. If Of course, if the delay of the signal differs from that contained in delay register 672 by more than one slice, then neither the late channel formed by mixer 638, integrator 654, and squarer 656, nor the early channel formed by mixer 642, integrator 660, and squarer 662 will yield a significant correlation. This situation, in which no correlator channel yields a significant correlation, can arise during initialization if the initial value of delay register 672 does not sufficiently match the current signal delay. If sufficient power is not detected in any of the correlator channels, then delay register 672 must be incremented slightly at any time until all 1023 possible slice delays have been tried, or until a correlation with the signal is established.

Die verzögerungsverriegelte Schleife, die soeben beschrieben wurde, ergibt eine Messung der Zeitverzögerung des Phasenumschaltmusters des empfangenen Signals. Eine weitere interessierende Messung ist, wie voranstehend beschrieben, eine Messung des Phasenwinkels des empfangenen Signalzeigers zu bestimmten Zeiten. Diese Messung wird auf analoge Weise mittels Rückkopplung durchgeführt, um so zu veranlassen, daß der Inhalt des Phasenregisters 616 der Phase des Signalzeigers in dem Videofrequenz-Ausgangssignal 608 folgt. Das Phasenregister 616 enthält eine "echte" Zahl, mit einem Bruchteilszyklusanteil und einem ganzzahligen oder mit einem Vorzeichen versehenen ganzzahligen Zahlenanteil. Der Bruchteilszyklusteil wird kontinuierlich aktualisiert, und kleine Phaseninkremente, die erheblich kleiner sind als ein voller Zyklus oder eine volle Drehung des Zeigers, werden zum Bruchteilszyklusanteil des Phasenregisters mit einer Rate von 110.000-mal pro Sekunde hinzu addiert. Eine Phasenrückkopplung 628 wird an das Phasenregister 616 angelegt und stellt die Summe dar, die durch den Summierer 682 gebildet wird, nämlich des Phasensignals 680 und des sich auf die Rate beziehenden Bruchteilszkluswertes 684 von dem Echtzeitcomputer 40. Selbst in Abwesenheit eines Phasenfehlers führt der sich auf eine Rate beziehende Bruchteilszykluswert 684 dazu, daß sich der Inhalt des Phasenregisters 616 zeitlich ändert. Der sich auf eine Rate beziehende Bruchteilszykluswert 684 kann aus einer Kombination eines Wertes, der in einem nicht dargestellten Ratenregister enthalten ist, welches in dem Satelliten-Verfolgungskanal 32 vorgesehen ist, und eines Wertes von dem Echtzeitcomputer 40 abgeleitet werden.The delay locked loop just described provides a measurement of the time delay of the phase switching pattern of the received signal. Another measurement of interest is, as previously described, a measurement of the phase angle of the received signal pointer at specific times. This measurement is performed in an analog manner using feedback so as to cause the contents of the phase register 616 to follow the phase of the signal pointer in the video frequency output signal 608. The phase register 616 contains a "true" number, with a fractional cycle portion and an integer or signed integer portion. The fractional cycle portion is continuously updated and small phase increments, significantly smaller than a full cycle or rotation of the pointer, are added to the fractional cycle portion of the phase register at a rate of 110,000 times per second. A phase feedback 628 is applied to the phase register 616 and represents the sum formed by the summer 682 of the phase signal 680 and the fractional rate related cycle value 684 from the real time computer 40. Even in the absence of a phase error, the fractional rate related cycle value 684 causes the contents of the phase register 616 to vary with time. The fractional rate related cycle value 684 may be derived from a combination of a value contained in a rate register (not shown) provided in the satellite tracking channel 32 and a value from the real time computer 40.

Der sich auf einer Rate beziehende Bruchteilszykluswert 684 wird 110.000-mal pro Sekunde addiert, und wird entsprechend der Information bezüglich der Umlaufbahn des Satelliten und der Positionen und Bewegungen der Empfangsantenne und des Satelliten und weiterhin aus dem Phasensignal 680 berechnet. Der Betrag, welcher in den Bruchteilszyklus-Unterteil 614 des Phasenregisters 616 110.000-mal pro Sekunde addiert wird, ist einfach gleich der erwarteten Frequenzverschiebung des empfangenen Signals in Hertz infolge der Dopplerverschiebung, und infolge anderer Gründe, geteilt durch 110.000.The rate related fractional cycle value 684 is added 110,000 times per second and is calculated according to the information regarding the orbit of the satellite and the positions and movements of the receiving antenna and the satellite and further from the phase signal 680. The amount added to the fractional cycle sub-portion 614 of the phase register 616 110,000 times per second is simply equal to the expected frequency shift of the received signal in hertz due to Doppler shift and other reasons divided by 110,000.

Das Phasenregister 616 ist so aufgebaut, daß es zwei Teile aufweist, einen Bruchteilszyklus-Unterteil 614, welcher sämtliche Bits der binären Phasennummer bis einschließlich zum Viertelzyklusbit aufweist, und den Ganzzyklus-Oberteil 618, welcher die signifikanteren Bits der Zahl enthält.The phase register 616 is constructed to have two parts, a fractional cycle lower part 614, which contains all the bits of the binary phase number up to and including the quarter cycle bit, and the full cycle upper part 618, which contains the more significant bits of the number.

Wenn der untere Teil der Phasennummer einen ganzzahligen Wert erreicht und überschreitet, erzeugt der Bruchteilszyklus- Unterteil 614 des Phasenregisters 616 ein Carrysignal 620, welches veranlaßt, daß der Ganzzyklus-Oberteil 618 um eins inkrementiert wird. Ist die erwartete Frequenzverschiebung des empfangenen Signals negativ, dann sind die Beträge, die 110.000-mal pro Sekunde in den Bruchteilszyklus-Unterteil 614 hinzu addiert werden, negativ, und in diesem Fall kann der untere Anteil der Zahl abnehmen, bis er einen halbzahligen Wert erreicht und überschreitet.When the lower part of the phase number reaches and exceeds an integer value, the fractional cycle lower part 614 of the phase register 616 generates a carry signal 620 which causes the whole cycle upper part 618 to be incremented by one is incremented. If the expected frequency shift of the received signal is negative, then the amounts added 110,000 times per second to the fractional cycle sub-portion 614 are negative, and in this case the lower portion of the number may decrease until it reaches and exceeds a half-integer value.

In diesem Fall wird das Borgesignal 622 erzeugt und an den Ganzzyklus-Oberteil 618 des Phasenregisters 616 angelegt, und führt dazu, daß dessen Inhalt um eins verringert wird. Der Gesamtwert der Phase, der in dem Phasenregister 616 enthalten ist, wird durch die Phasenzahl 626 angezeigt, welche die Summe des Bruchteilzyklus-Unterteils 614 und des Ganzzyklus- Oberteils 618 darstellt, die durch den Summierer 624 gebildet wird.In this case, the borrow signal 622 is generated and applied to the whole cycle top portion 618 of the phase register 616 and causes its contents to be reduced by one. The total value of phase contained in the phase register 616 is indicated by the phase number 626, which represents the sum of the fractional cycle bottom portion 614 and the whole cycle top portion 618 formed by the summer 624.

Das höchstwertige Bit des Bruchteilszyklus-Unterteils 614, zusammen mit dem niedrigstwertigen Bit des Gesamtzyklus-Oberteils 618 des Phasenregisters 616 bildet den Phasenschätzwert 612, Modulo einen Zyklus und mit einer Auflösung oder Quantisierung von einem Viertelzyklus, wodurch das Videofrequenz- Ausgangssignal 608 in dem Zählerrotator 610 im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird. Es ist nicht erforderlich, daß der Zählerrotator 610 den ganzzahligen Anteil des Phasenschätzwerts empfängt, und der Quantisierungsfehler, der mit der groben Auflösung des Phasenschätzwerts 612 von einem Viertelzyklus zusammenhängt, wird in der Wirkung ausgemittelt, da sich die Phase schnell und ungleichförmig ändert. Man hofft, daß die Rate, mit welcher der Inhalt des Phasenregisters zunimmt oder abnimmt, an jene der Komponente des ausgewählten Satelliten im Videofrequenz-Ausgangssignal 608 in der Größe innerhalb von weniger als 50 Umdrehungen pro Sekunde angepaßt ist. Ist diese Bedingung tatsächlich erfüllt, dann dreht sich der Winkel des Zeigers in 0,01 Sekunden um nicht mehr als eine halbe Umdrehung, und das Signal überlebt die Integration in den Integratoren 654, 660 und 674.The most significant bit of the fractional cycle lower portion 614, together with the least significant bit of the full cycle upper portion 618 of the phase register 616, forms the phase estimate 612, modulo one cycle and with a resolution or quantization of one quarter cycle, thereby rotating the video frequency output signal 608 counterclockwise in the counter rotator 610. The counter rotator 610 is not required to receive the integer portion of the phase estimate, and the quantization error associated with the coarse quarter cycle resolution of the phase estimate 612 is effectively averaged out since the phase changes rapidly and non-uniformly. It is hoped that the rate at which the contents of the phase register increase or decrease will match that of the selected satellite's component in the video frequency output signal 608 in magnitude to within less than 50 revolutions per second. If this condition is actually fulfilled, then the angle of the pointer rotates by no more than half an angle in 0.01 seconds. revolution, and the signal survives integration in the integrators 654, 660 and 674.

Das Ausgangs-Videosignal 630 wird mit der "prompten", um ein halbes Stück verzögerten Nachbildung 646 im Mischer 640 gemischt, und im Integrator 674 integriert. Der Phasenwinkel 680 wird dadurch berechnet, daß der Arcus-Tangens des Imaginärteils, geteilt durch den Realteil, des komplexen Signals 676 in dem Arcus-Tangensgenerator 678 berechnet wird. Der Phasenfehler 680 wird als ein Phasenfehler-Rückkopplungssignal an den Summierer 682 angelegt, welcher die Phasenrückkopplung 628 erzeugt, die als kleines Inkrement 110.000-mal pro Sekunde an das Phasenregister 616 angelegt wird.The output video signal 630 is mixed with the "prompt" half-delayed replica 646 in mixer 640 and integrated in integrator 674. The phase angle 680 is calculated by calculating the arc tangent of the imaginary part divided by the real part of the complex signal 676 in arc tangent generator 678. The phase error 680 is applied as a phase error feedback signal to summer 682 which produces phase feedback 628 which is applied to phase register 616 in small increments 110,000 times per second.

Durch diesen Phasenrückkopplungsweg wird der Inhalt des Phasenregisters 616 je nach Erfordernis erhöht oder verringert, um den Phasenschätzwert, der in dem Phasenregister 616 enthalten ist, in Ausrichtung mit dem Zeiger des momentan empfangenen Signals zu bringen. Dreht sich der Zeiger des empfangenen Signals vorwärts und/oder rückwärts, so wird der Winkel des Zeigers kontinuierlich durch das Phasenregister 616 verfolgt, und es werden auch sämtliche Umläufe des Zeigers um die komplexe Ebene gezählt, und zwar innerhalb des Gesamtzyklus-Oberteils 618 des Phasenregisters 616.Through this phase feedback path, the contents of the phase register 616 are increased or decreased as necessary to bring the phase estimate contained in the phase register 616 into alignment with the pointer of the currently received signal. As the pointer of the received signal rotates forward and/or backward, the angle of the pointer is continuously tracked by the phase register 616 and all revolutions of the pointer around the complex plane are also counted within the total cycle top 618 of the phase register 616.

Die 308-fo-Trägerphase des empfangenen Signals stellt ein sehr exaktes und sehr schnelles Maß für die Entfernung oder die Weglänge von dem Satelliten zum Empfänger dar. Jede Erhöhung der Weglänge spiegelt sich unmittelbar, innerhalb von etwa 0,01 Sekunden, in einer Verringerung des Inhalts des Phasenregisters 616 wider. Für jede Bewegung des Satelliten um eine 308-fo-Trägerwellenlänge ändert sich die Phase des empfangenen Trägersignals um einen Zyklus der Phase, und der Inhalt des Phasenregisters 616 ändert sich um eine Einheit.The 308 fo carrier phase of the received signal provides a very accurate and very fast measure of the distance or path length from the satellite to the receiver. Any increase in path length is immediately reflected, within about 0.01 seconds, in a decrease in the contents of phase register 616. For each movement of the satellite by one 308 fo carrier wavelength, the phase of the received carrier signal changes by one cycle of phase and the contents of phase register 616 changes by one unit.

Selbstverständlich werden auch Bruchteile einer Wellenlänge der Bewegung festgestellt.Of course, fractions of a wavelength of the movement are also detected.

Die Phasenzahl 626 ist daher eine Anzeige oder Messung der Entfernung zum Satelliten, trotz des voranstehend erläuterten Offsets. Die Phase in Zyklen ist daher gleich der Entfernung in Wellenlängen plus ein Offset. Der Offset tritt infolge der unvermeidbaren Tatsache auf, daß dann, wenn die Vorrichtung zuerst in Betrieb genommen wird, der korrekte Anfangswert der Phasenzahl 626 nicht bekannt ist. Sämtliche Änderungen der empfangenen Signalphase werden wahrheitsgetreu durch Änderungen dieser Zahl widergespiegelt, jedoch ist der Anfangswert willkürlich oder bedeutungslos.The phase number 626 is therefore an indication or measurement of the distance to the satellite, despite the offset explained above. The phase in cycles is therefore equal to the distance in wavelengths plus an offset. The offset occurs due to the unavoidable fact that when the device is first put into operation, the correct initial value of the phase number 626 is not known. Any changes in the received signal phase are faithfully reflected by changes in this number, but the initial value is arbitrary or meaningless.

Obwohl die Phase als Messung der Entfernung vom Satelliten zum Empfänger einen Offset aufweist, bleibt der Offset über die gesamte Zeit konstant, in welcher das Satelliten-Signal durch das Phasenregister 616 verfolgt wird, es sei denn, daß eine Unterbrechung der Verfolgung auftritt. Während einer derartigen Unterbrechung kann die Anzahl der Zyklen der Phase, die empfangen worden wäre, falls das Signal nicht unterbrochen worden wäre, nicht korrekt bekannt sein, oder kann nicht korrekt geschätzt werden, so daß nach der Unterbrechung der Inhalt des Phasenregisters 616 einen unterschiedlichen Offset aufweisen kann. Allerdings muß die Differenz des Offsets eine ganzzahlige Anzahl von Zyklen sein. Ist die Unterbrechung kurz, so besteht eine gute Chance dafür, daß diese ganzzahlige Änderung gleich Null ist, da die Inkremente, 110.000-mal pro Sekunde, der Phasenrückkopplung 628, die während der Unterbrechung empfangen wurden, einen Anstieg des Phasenschätzwertes mit einer Rate durchgeführt haben können, die sehr nahe an der aktuellen Phasenrate des Signals liegt. Mit anderen Worten führt das Phasenregister 616 einen Freilauf oder ein Koppeln durch, auf exakte Weise, wobei der Fehler um weniger als einen Zyklus ansteigt, wenn die Zeitdauer des Ausfalls kurz ist.Although the phase is offset as a measure of the distance from the satellite to the receiver, the offset remains constant throughout the time the satellite signal is being tracked by the phase register 616 unless an interruption in tracking occurs. During such an interruption, the number of cycles of phase that would have been received had the signal not been interrupted may not be correctly known or may not be correctly estimated, so that after the interruption, the contents of the phase register 616 may have a different offset. However, the difference in offset must be an integer number of cycles. If the interruption is short, there is a good chance that this integer change will be zero, since the increments, 110,000 times per second, of the phase feedback 628 received during the interruption may have increased the phase estimate at a rate very close to the current phase rate of the signal. In other words, the phase register 616 performs a freewheel or coupling in an exact manner, whereby the error increases by less than one cycle if the duration of the failure is short.

Um die Wahrscheinlichkeit zu minimalisieren, daß sich der Phasen-Offset ändert, wird der sich auf die Rate beziehende Bruchteilszykluswert 684, der an den Summierer 682 angelegt wird, zu jeder Zeit aus der besten momentanen Information bezüglich der Bewegung des Satelliten und des Schiffes 10 und daher der Dopplerverschiebung und anderer Verschiebungen berechnet, welche das empfangene Signal aufweisen könnte. Während einer kurzen Unterbrechung des Signals stellen diese Inkremente des Summierers 682 sehr exakte Vorhersagungen der Inkremente dar, welche das Phasenregister 616 tatsächlich haben sollte, um die Phasenausrichtung des Phasenregisters 616 zum empfangenen Signal aufrechtzuerhalten.To minimize the likelihood that the phase offset will change, the rate-related fractional cycle value 684 applied to summer 682 is calculated at any time from the best instantaneous information regarding the motion of the satellite and ship 10, and therefore the Doppler shift and other shifts that the received signal might exhibit. During a brief interruption of the signal, these increments of summer 682 represent very accurate predictions of the increments that phase register 616 should actually have in order to maintain phase alignment of phase register 616 with the received signal.

Die verzögerungsverriegelte Schleife, die durch den Korrelator 632 und das Verzögerungsregister 672 gebildet wird, ergibt eine Anzeige oder Messung der Entfernung zur Satelliten- Antenne 22, da Änderungen der Entfernung sich nicht nur in dem Phasenregister 616 widerspiegeln, sondern auch in dem Verzögerungsregister 672. Bewegt sich der Satellit weiter weg, so wird die Signalausbreitungszeit erhöht, und die Phasenschwankungen kommen später an. Diese Verspätung wird sofort durch eine Erhöhung des späten Korrelations-Ausgangssignals 658 ermittelt, oder dadurch angezeigt, daß das späte Korrelations-Ausgangssignal 658 größer wird als das frühe Korrelations-Ausgangssignal 664. Solange diese Ungleichheit besteht, würde der Komparator 666 veranlassen, daß das Verzögerungsregister 672 erhöht oder verringert wird, bis schließlich der Verzögerungsschätzwert 696 veranlaßt hat, daß der Code, der durch den C/A-Code-Generator 636 erzeugt werden soll, mit der korrekten Verzögerung erzeugt wird. Allerdings wird darauf hingewiesen, daß das Verzögerungsregister 672 ebenfalls Inkrementierungs- oder Dekrementierungs-Eingangssignale über das Carrysignal 620 oder das Borgesignal 622 von dem Phasenregister 616 empfangen hätte, und daß in Abwesenheit irgendwelcher Effekte wie beispielsweise der Ionosphären-Dispersion, welche dazu führen, daß sich die Gruppenverzögerung anders ändert als die Phasenverzögerung, die Signale 620 und 622 von sich aus eine korrekte Schätzung der Verzögerung in dem Verzögerungsregister 672 aufrechterhalten hätten.The delay locked loop formed by the correlator 632 and the delay register 672 provides an indication or measurement of the range to the satellite antenna 22 since changes in range are reflected not only in the phase register 616 but also in the delay register 672. As the satellite moves farther away, the signal propagation time is increased and the phase variations arrive later. This delay is immediately detected by an increase in the late correlation output 658, or indicated by the late correlation output 658 becoming greater than the early correlation output 664. As long as this disparity exists, the comparator 666 would cause the delay register 672 to be increased or decreased until finally the delay estimate 696 has caused the code to be generated by the C/A code generator 636 to be generated with the correct delay. However, it should be noted that the delay register 672 may also received increment or decrement input signals via carry signal 620 or borrow signal 622 from phase register 616, and that in the absence of any effects such as ionospheric dispersion which cause the group delay to vary differently than the phase delay, signals 620 and 622 would have inherently maintained a correct estimate of the delay in delay register 672.

Wie voranstehend erläutert ist es möglich, die Position direkt aus der Phasenzahl 626 des Phasenregisters 616 zu bestimmen. Es ist ebenfalls möglich, die Position durch die C/A-Code- Verzögerungsmessung 698 des Verzögerungsregisters 672 zu bestimmen. Wie bereits erwähnt besteht ein Vorteil der Phasenzahl 626 darin, daß sie sehr exakt ist: selbst eine sehr geringe Bewegung in der Größenordnung eines Zentimeters kann erfaßt werden, da die Wellenlänge des Signals etwa 19 Zentimeter beträgt, so daß eine Bewegung um 1 Zentimeter eine Phasenänderung um 1/20-stel eines Zyklus hervorrufen würde, was festgestellt werden kann.As explained above, it is possible to determine position directly from the phase number 626 of the phase register 616. It is also possible to determine position by the C/A code delay measurement 698 of the delay register 672. As already mentioned, an advantage of the phase number 626 is that it is very accurate: even a very small movement on the order of a centimeter can be detected, since the wavelength of the signal is about 19 centimeters, so a movement of 1 centimeter would cause a phase change of 1/20th of a cycle, which can be detected.

Allerdings weisen diese Phasenmessungen, wie ebenfalls voranstehend erläutert wurde, einen Offset um einen unbekannten Betrag auf, wogegen die C/A-Code-Verzögerungsmessungen 698 von dem Verzögerungsregister 672 nicht an einem derartigen Offset leiden.However, as also explained above, these phase measurements are offset by an unknown amount, whereas the C/A code delay measurements 698 from the delay register 672 do not suffer from such an offset.

Wie voranstehend erläutert werden die L1-Band-implizit-fo- Trägerphasenobservable ψL1 und die L2-Band-implizit-fo- Trägerphasenobservable ψL2, die implizit in den GPS-Signalen 15 enthalten sind, gemessen, und deren Differenz wird dazu verwendet, die Effekte der Ionosphäre aus den Messungen der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ und der C/A- Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ zu bestimmen und zu entfernen. Der codelose Zweiband-Phasendetektor 751, der in Fig. 14 gezeigt ist, gibt Messungen der L1-Band-implizit-fo- Trägerphasenobservablen ψL1 und der L2-Band-implizit-fo- Trägerphasenobservablen ψL2.As explained above, the L1 band implicit fo carrier phase observable ψL1 and the L2 band implicit fo carrier phase observable ψL2 implicitly contained in the GPS signals 15 are measured and their difference is used to determine and calculate the effects of the ionosphere from the measurements of the 308 fo implicit carrier phase observable φ and the C/A code group delay observable τ. The codeless dual-band phase detector 751 shown in Fig. 14 gives measurements of the L1-band implicit-fo-carrier phase observables ψL1 and the L2-band implicit-fo-carrier phase observables ψL2.

Wie voranstehend erläutert werden die GPS-Signale 15 von dem GPS-Satelliten 12 von der Antenne 22 empfangen und über die Übertragungsleitung 600 an den Mischer 602 angelegt, zur Korrelation mit dem 308-fo-Lokalmodell 604 von dem Lokaloszillator 606, um das Videofrequenz-Ausgangssignal 608 zu erzeugen. Zusätzlich werden die Signale in der Übertragungsleitung 600 auch an den Mischer 605 angelegt, zur Korrelation mit dem 240-fo-Lokalmodell 724 von dem L2-Band-Lokaloszillator 726, um das L2-Band-Videoausgangssignal 722 zu erzeugen. Das Videofrequenz-Ausgangssignal 608 und das L2-Band-Videoausgangssignal 722 stellen äquivalente Korrelationsprodukte dar, abgesehen davon, daß sie mit Nachbildungen von L1- bzw. L2-Band- Zentrumsfrequenzträgern korreliert wurden.As previously explained, the GPS signals 15 from the GPS satellite 12 are received by the antenna 22 and applied via the transmission line 600 to the mixer 602 for correlation with the 308 fo local model 604 from the local oscillator 606 to produce the video frequency output signal 608. In addition, the signals in the transmission line 600 are also applied to the mixer 605 for correlation with the 240 fo local model 724 from the L2 band local oscillator 726 to produce the L2 band video output signal 722. The video frequency output signal 608 and the L2 band video output signal 722 represent equivalent correlation products, except that they have been correlated with replicas of L1 and L2 band center frequency carriers, respectively.

Der codelose Zweiband-Phasendetektor 751 empfängt das Videofrequenz-Ausgangssignal 608 und das L2-Band-Videoausgangssignal 722 von dem Mischer 602 bzw. 605. Der Mischer 605 ist wie der Mischer 602 und führt eine Herunterwandlung des L2-Band- Anteils der Übertragungsleitung 600 zum Videofrequenzband durch, durch Mischen der Übertragungsleitung 600 mit dem 240- fo-Lokalmodell 724 von dem L2-Band-Lokaloszillator 726.The codeless dual-band phase detector 751 receives the video frequency output signal 608 and the L2 band video output signal 722 from mixers 602 and 605, respectively. Mixer 605 is like mixer 602 and downconverts the L2 band portion of transmission line 600 to the video frequency band by mixing transmission line 600 with the 240 fo local model 724 from L2 band local oscillator 726.

Innerhalb des codelosen Zweiband-Phasendetektors 751 wird das Videofrequenz-Ausgangssignal 608 an die L1-Band-fo- Trägerrekonstruktionsvorrichtung 728 angelegt, welche das L1-rekonstruierte Trägerverbundsignal 738 erzeugt. Das L2- Band-Videoausgangssignal 722 wird an die L2-Band-fo-Trägerrekonstruktionsvorrichtung 750 angelegt, welche das L2-rekonstruierte Trägerverbundsignal 756 erzeugt. Die L1-Band-fo-Trägerrekonstruktionsvorrichtung 728 und die L2-Band-fo-Trägerrekonstruktionsvorrichtung 750 sind exakt gleich, wobei der einzige Unterschied darin besteht, daß eine ein Eingangssignal empfängt und ein Ausgangssignal erzeugt, welche sich auf in dem L1-Band empfangene Signale beziehen, und die andere ein Eingangssignal empfängt und ein Ausgangssignal erzeugt, welche in Beziehung zu in dem L2-Band empfangenen Signalen stehen.Within the codeless dual-band phase detector 751, the video frequency output signal 608 is applied to the L1-band fo carrier reconstructor 728, which produces the L1-reconstructed carrier composite signal 738. The L2-band video output signal 722 is applied to the L2-band fo carrier reconstructor 750, which produces the L2-reconstructed carrier composite signal 756. The L1-band fo carrier reconstructor 728 and the L2 band fo carrier reconstruction device 750 are exactly the same, the only difference being that one receives an input signal and produces an output signal related to signals received in the L1 band and the other receives an input signal and produces an output signal related to signals received in the L2 band.

Das L1-rekonstruierte Trägerverbundsignal 738 wird an den Zeigerzählerrotator 740 angelegt, um das Ausgangssignal 744 zu erzeugen, welches 100 Sekunden lang durch den 100-Sekunden-Integrator 746 integriert wird. Das Ausgangssignal des 100-Sekunden-Integrators 746 wird an den Arcus-Tangensgenerator 748 angelegt, welcher die L1-fo-Restphasenmessung 718 erzeugt.The L1 reconstructed carrier composite signal 738 is applied to the phasor counter rotator 740 to produce the output signal 744 which is integrated for 100 seconds by the 100 second integrator 746. The output of the 100 second integrator 746 is applied to the arctangent generator 748 which produces the L1 fo residual phase measurement 718.

Entsprechend wird das L2-rekonstruierte Trägerverbundsignal 756 an den Zeigerzählerrotator 758 angelegt, dessen Ausgangssignal 100 Sekunden lang durch den 100-Sekunden-Integrator 760 integriert wird. Das Ausgangssignal des 100-Sekunden-Integrators 760 wird an den Arcus-Tangensgenerator 762 angelegt, dessen Ausgangssignal die L2-fo-Restphasenmessung 720 darstellt.Accordingly, the L2 reconstructed carrier composite signal 756 is applied to the pointer counter rotator 758, the output of which is integrated for 100 seconds by the 100-second integrator 760. The output of the 100-second integrator 760 is applied to the arctangent generator 762, the output of which represents the L2 fo residual phase measurement 720.

Das L1-rekonstruierte Trägerverbundsignal 738 von der L1-Bandfo-Trägerrekonstruktionsvorrichtung 728 ist ein Verbundsignal aus Signalkomponenten kontinuierlicher Wellen mit Frequenzen nahe 2 fo. In dem L1-rekonstruierten Trägerverbundsignal 738 repräsentiert eine kontinuierliche Wellenkomponente die rekonstruierte Trägerwelle, die implizit in den Signalen enthalten ist, die von jedem Satelliten in dem L1-Band empfangen werden. Die Frequenz jeder kontinuierlichen Welle, oder rekonstruierten Trägerkomponente, ist exakt das Doppelte jener des jeweiligen fo-Trägers der implizit in den empfangenen Signalen enthalten ist. Die Phase jedes rekonstruierten Trägers ist ebenfalls verdoppelt. Die Frequenz jedes rekonstruierten Trägers ist gegenüber 2 fo versetzt, hauptsächlich infolge der Dopplerverschiebung des empfangenen Signals des Satelliten, und zwar um einen Betrag, der zeitabhängig zwischen plus und minus 30 Hertz variiert.The L1 reconstructed carrier composite signal 738 from the L1 bandfo carrier reconstructor 728 is a composite signal of continuous wave signal components with frequencies near 2 fo. In the L1 reconstructed carrier composite signal 738, a continuous wave component represents the reconstructed carrier wave implicitly contained in the signals received from each satellite in the L1 band. The frequency of each continuous wave, or reconstructed carrier component, is exactly twice that of the respective fo carrier which is implicitly contained in the received signals. The phase of each reconstructed carrier is also doubled. The frequency of each reconstructed carrier is offset from 2 fo, mainly due to the Doppler shift of the received signal from the satellite, by an amount which varies with time between plus and minus 30 Hertz.

Die rekonstruierte Trägerkomponente von dem bestimmten Satelliten, welchem der Satelliten-Verfolgungskanal 32 zugeordnet wurde, wird von dem L1-rekonstruierten Trägerverbundsignal 738 durch den Phasenzählerrotator 740 und den 100-Sekunden- Integrator 746 ausgewählt. Die Grundlage für diese Auswahl wird durch den fo-Trägerphasenschätzwert 742 zur Verfügung gestellt, der von dem Verzögerungsregister 672 erzeugt und an den Zeigerzählerrotator 740 angelegt wird. Die Frequenz, d. h. die Zeitableitung des fo-Trägerphasenschätzwertes 742, liegt extrem nahe, innerhalb von weniger als etwa 0,005 Hertz, an der Frequenz der rekonstruierten Trägerkomponente von dem ausgewählten Satelliten innerhalb des L1-rekonstruierten Trägerverbundsignals 738. Der Zähler, welcher die rekonstruierte Trägerkomponente repräsentiert, die sich auf den ausgewählten Satelliten bezieht, im Ausgangssignal 744 von dem Zeigerzählerrotator 740, dreht sich daher um weniger als einen halben Zyklus während des Zeitraums von 100 Sekunden jeder Integration, die durch den 100-Sekunden-Integrator 746 durchgeführt wird. Die rekonstruierte Trägerkomponente für den Satelliten, welchem der Satelliten-Verfolgungskanal 32 zugeordnet ist, sammelt sich daher kohärent während der Integration an, was die rekonstruierten Komponenten für sämtliche anderen Satelliten jedoch nicht tun. Die rekonstruierten Trägerkomponenten von anderen Satelliten sammeln sich nicht kohärent an, so daß sie sich also während der Integration, die durch den 100-Sekunden-Integrator 746 durchgeführt wird, zu Null herausmitteln, da ihre Zeigerkomponenten im Ausgangssignal 744 von dem Zeigerzählerrotator 740 sich um einen Zyklus oder mehrere Zyklen während der Integrationszeit von 100 Sekunden drehen. Die Zeiger der anderen Satelliten drehen sich, da ihre rekonstruierten Trägerfrequenzen im allgemeinen nicht innerhalb von 0,01 Hertz gleich der Frequenz des fo-Trägerphasenschätzwertes 742 sind.The reconstructed carrier component from the particular satellite to which the satellite tracking channel 32 has been assigned is selected from the L1 reconstructed carrier composite signal 738 by the phase counter rotator 740 and the 100 second integrator 746. The basis for this selection is provided by the fo carrier phase estimate 742 generated by the delay register 672 and applied to the phasor counter rotator 740. The frequency, i.e., the time derivative, of the fo carrier phase estimate 742 is extremely close, within less than about 0.005 hertz, to the frequency of the reconstructed carrier component from the selected satellite within the L1 reconstructed carrier composite signal 738. The counter representing the reconstructed carrier component related to the selected satellite in the output signal 744 from the pointer counter rotator 740 therefore rotates less than one-half cycle during the 100 second period of each integration performed by the 100 second integrator 746. The reconstructed carrier component for the satellite associated with the satellite tracking channel 32 therefore accumulates coherently during the integration, but the reconstructed components for all other satellites do not. The reconstructed carrier components from other satellites do not accumulate coherently, so they will zero out during the integration performed by the 100-second integrator 746. because their phasor components in the output signal 744 from the phasor counter rotator 740 rotate one or more cycles during the 100 second integration time. The phasors of the other satellites rotate because their reconstructed carrier frequencies are generally not equal to within 0.01 hertz of the frequency of the fo carrier phase estimate 742.

Nach der Beendigung jeder Integration von 100 Sekunden erzeugt daher der Arcus-Tangensgenerator 748 die L1-fo-Restphasenmessung 718, welche die Vier-Quadranten-Invers-Tangens-Funktion des Ausgangssignals des 100-Sekunden-Integrators 746 darstellt. Die L1-fo-Restphasenmessung 718 stellt daher eine exakte Messung der L1-Band-implizit-fo-Trägerphasenobservablen ψL1 für den ausgewählten Satelliten in bezug auf den fo-Trägerphasenschätzwert 742 dar.Therefore, after completion of each 100 second integration, the arctangent generator 748 produces the L1 fo residual phase measurement 718, which is the four-quadrant inverse tangent function of the output of the 100 second integrator 746. The L1 fo residual phase measurement 718 therefore represents an exact measurement of the L1 band implicit fo carrier phase observable ψL1 for the selected satellite with respect to the fo carrier phase estimate 742.

Der fo-Trägerphasenschätzwert 742 wird an beide Zeigerzählerrotatoren 740 angelegt, die sonst auf dieselbe Weise bei L1- bzw. L2-Band-Signalen arbeiten.The fo carrier phase estimate 742 is applied to both phasor counter rotators 740, which otherwise operate in the same manner for L1 and L2 band signals, respectively.

Entsprechend bearbeitet der 100-Sekunden-Integrator 760 und der Arcus-Tangensgenerator 762 die L2-Band-Signale von dem Zeigerzählerrotator 758, um die L2-fo-Restphasenmessung 720 zu erzeugen, auf dieselbe Weise wie der 100-Sekunden-Integrator 746 und der Arcus-Tangensgenerator 748 die L1-Band-Signale von dem Zeigerzählerrotator 740 bearbeiten, um die L1-fo- Restphasenmessung 718 zu erzeugen, welche eine exakte Messung der L2-Band-implizit-fo-Trägerphasenobservablen ψL2 darstellt, und zwar für den ausgewählten Satelliten in bezug auf den fo-Trägerphasenschätzwert 742.Accordingly, the 100-second integrator 760 and the arctangent generator 762 process the L2-band signals from the phasor counter rotator 758 to produce the L2 fo residual phase measurement 720 in the same manner as the 100-second integrator 746 and the arctangent generator 748 process the L1-band signals from the phasor counter rotator 740 to produce the L1 fo residual phase measurement 718, which represents an exact measurement of the L2-band implicit fo carrier phase observable ψL2 for the selected satellite with respect to the fo carrier phase estimate 742.

Der Satelliten-Verfolgungskanal 32 stellt die C/A-Code- Verzögerungsmessung 698, die Phasenzahl 626, die L1-fo-Restphasenmessung 718 und die L2-fo-Restphasenmessung 720 für die Observablen-Kombinationsvorrichtung 701 zur Verfügung, die nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 15 beschrieben wird.The satellite tracking channel 32 provides the C/A code delay measurement 698, the phase number 626, the L1-fo residual phase measurement 718 and the L2-fo residual phase measurement 720 for the observable combiner 701, which is described below with reference to Fig. 15.

Fig. 15Fig. 15

In Fig. 15 sind zwei Ausführungsformen der Observablen-Kombinationsvorrichtung 701 gezeigt. In Fig. 15A ist eine vereinfachte Ausführungsform der Observablen-Kombinationsvorrichtung 701 gezeigt, um die Beschreibung von deren Betrieb zu erleichtern. Die alternative Ausführungsform der Observablen-Kombinationsvorrichtung 701, die in Fig. 15B gezeigt ist, wird durch ein Kalman-Filter entsprechend im Stand der Technik wohlbekannter Vorgehensweisen gebildet. Die in Fig. 15B gezeigte Ausführungsform ist deswegen vorteilhaft, da sie einen stärkeren Gebrauch vom Informationsgehalt der Observablen macht.Two embodiments of the observable combiner 701 are shown in Fig. 15. A simplified embodiment of the observable combiner 701 is shown in Fig. 15A to facilitate description of its operation. The alternative embodiment of the observable combiner 701 shown in Fig. 15B is formed by a Kalman filter according to well-known techniques in the art. The embodiment shown in Fig. 15B is advantageous because it makes greater use of the information content of the observables.

Bei der in Fig. 15A gezeigten Ausführungsform empfängt die Observablen-Kombinationsvorrichtung 701 eine Messung der C/A- Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ, beispielsweise den 30-Bit-C/A-Code-Gruppenverzögerungsschätzwert τest 876 von dem in Fig. 13 gezeigten Verzögerungsregister 842, oder die C/A-Code-Verzögerungsmessung 698 von dem in Fig. 14 gezeigten Verzögerungsregister 672; eine Messung der 308-fo-implizit- Trägerphasenobservablen Φ, beispielsweise den 48-Bit-Binär- 308-fo-Trägerphasenschätzwert Φest 856 von dem in Fig. 13 gezeigten Phasenregister 840 oder die Phasenzahl 626 von dem in Fig. 14 gezeigten Phasenregister 616; eine Messung der L1-Band-implizit-fo-Trägerphasenobservablen ψL1, beispielsweise die L1-fo-Trägerphasenmessung 210 von dem in Fig. 6 gezeigten L1-Band-fo-Trägerphasendetektor 206 oder die L1-fo-Restphasenmessung 718 von dem codelosen Doppelband-Phasendetektor 751 von Fig. 14; und eine Messung der L2-Band-implizit-fo-Trägerphasenobservablen ψL2, beispielsweise die L2-fo-Trägerphasenmessung 212 von dem in Fig. 6 gezeigten L2-Band-fo-Trägerphasendetektor 200, oder die L2-fo-Restphasenmessung 720 von dem in Fig. 14 gezeigten codelosen Doppelband-Phasendetektor 751.In the embodiment shown in Fig. 15A, the observable combiner 701 receives a measurement of the C/A code group delay observable τ, for example, the 30-bit C/A code group delay estimate τest 876 from the delay register 842 shown in Fig. 13, or the C/A code delay measurement 698 from the delay register 672 shown in Fig. 14; a measurement of the 308-fo implicit carrier phase observable φ, for example, the 48-bit binary 308-fo carrier phase estimate φest 856 from the phase register 840 shown in Fig. 13, or the phase number 626 from the phase register 616 shown in Fig. 14; a measurement of the L1 band implicit fo carrier phase observable ΨL1, for example the L1 fo carrier phase measurement 210 from the L1 band fo carrier phase detector 206 shown in Fig. 6 or the L1 fo residual phase measurement 718 from the codeless dual band phase detector 751 of Fig. 14; and a measurement of the L2 band implicit fo carrier phase observable ΨL2, for example, the L2 fo carrier phase measurement 212 from the L2 band fo carrier phase detector 200 shown in Fig. 6, or the L2 fo residual phase measurement 720 from the codeless dual band phase detector 751 shown in Fig. 14.

Wie voranstehend erläutert ist die Messung der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ eindeutig. Dies bedeutet, daß die Unsicherheit einer ganzzahligen Millisekunde, welche potentiell eine C/A-Code-Verzögerungsmessung beeinflussen kann, gelöst wurde, beispielsweise wie voranstehend in bezug auf das Verzögerungsregister 842 und den in Fig. 13 gezeigten Gruppenverzögerungs-Anfangswert 37 erläutert. In diesem Sinn ist daher die C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservable τ nicht mit einem wesentlichen Offset versehen. Allerdings wird sie durch statistische Schwankungen mit einem Mittelwert nahe an Null in der Größenordnung von 15 Metern beeinflußt, infolge von Rausch- und Mehrfachwegstörungen, und durch einen Fehler, der typischerweise in der Größenordnung von 0 bis 30 Meter liegt, infolge einer Brechung in der Ionosphäre entlang dem Signalausbreitungsweg von dem GPS-Satelliten 12 zur Antenne 22.As explained above, the measurement of the C/A code group delay observable τ is unique. This means that the integer millisecond uncertainty which can potentially affect a C/A code delay measurement has been resolved, for example as explained above with respect to the delay register 842 and the group delay initial value 37 shown in Figure 13. In this sense, therefore, the C/A code group delay observable τ is not significantly offset. However, it is affected by statistical fluctuations with a mean value close to zero of the order of 15 metres due to noise and multipath interference, and by an error, typically of the order of 0 to 30 metres, due to refraction in the ionosphere along the signal propagation path from the GPS satellite 12 to the antenna 22.

Da der Beitrag der Ionosphäre zur Messung der C/A-Code-Gruppenverzögerungsoberservablen τ nur ein Vorzeichen aufweisen kann, läßt sich tatsächlich die Aussage vertreten, daß die C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservable τ tatsächlich einen Offset aufweist. Andererseits könnte eine Korrektur eines Erwartungswertes für den Ionosphäreneffekt an die Messung der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ angelegt werden, beispielsweise durch einen Schätzwert aus externer Information, die in dem Echtzeitcomputer 40 verwendet wird, oder durch eine andere, nicht dargestellte Einrichtung, so daß der nicht korrigierte, übrigbleibende Effekt einen Mittelwert von Null bei statistischer Betrachtungsweise aufwiese. Verfahren zur Erzeugung eines Erwartungswertes für den Ionosphäreneffekt auf eine C/A-Code-Verzögerungsmessung sind bekannt. Tatsächlich umfassen die GPS-Sende-Navigationsdaten solche Daten, aus welchen ein derartiger Wert erzeugt werden kann. Allerdings sind diese Daten im allgemeinen nicht sehr genau, und sie können nicht verfügbar sein. Daher ist es wünschenswert, den Ionosphäreneffekt zu erfassen und dadurch zu entfernen, daß als Grundlage die beobachteten Phasen- und/oder Verzögerungseigenschaften der Signale verwendet werden, die von einem Satelliten empfangen werden.In fact, since the contribution of the ionosphere to the measurement of the C/A code group delay observable τ can only have one sign, it can be said that the C/A code group delay observable τ does indeed have an offset. On the other hand, a correction of an expected value for the ionosphere effect could be applied to the measurement of the C/A code group delay observable τ, for example by an estimate from external information used in the real-time computer 40 or by some other means not shown, so that the uncorrected remaining effect has an average value of zero when considered statistically. Methods for producing an expected value for the ionospheric effect on a C/A code delay measurement are known. In fact, the GPS transmit navigation data includes data from which such a value can be produced. However, this data is generally not very accurate and may not be available. Therefore, it is desirable to detect and remove the ionospheric effect by using as a basis the observed phase and/or delay characteristics of the signals received from a satellite.

Wie unter Bezug auf Fig. 14 erläutert stellt die Messung der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ eine mit Offset versehene Messung der Entfernung mit einer Unsicherheit eines ganzzahligen oder halben ganzzahligen Zyklus dar, entsprechend einer Unsicherheit einer ganzzahligen oder halben ganzzahligen Wellenlänge, die schwierig aufzulösen ist. Allerdings stellt die Messung der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ einen sehr genauen Indikator für Entfernungsänderungen dar. Die Messung der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ umfaßt nur sehr geringe Rausch- und Mehrwegfehler, verglichen mit der Messung der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ. Allerdings weist der Fehler bei der Messung der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ infolge der Atmosphäre exakt dieselbe Größe auf wie der Fehler bei der Messung der C/A-Code-Gruppenverzögerungsoberservablen τ infolge der Ionosphäre, wenn beide Messungen in äquivalenten Einheiten ausgedrückt werden, beispielsweise in Entfernungseinheiten. Dieser Fehler liegt typischerweise in der Größenordnung einer Entfernung von 5 bis 30 Metern.As explained with reference to Fig. 14, the measurement of the 308 fo implicit carrier phase observable φ represents an offset measurement of range with an uncertainty of an integer or half an integer cycle, corresponding to an uncertainty of an integer or half an integer wavelength, which is difficult to resolve. However, the measurement of the 308 fo implicit carrier phase observable φ represents a very accurate indicator of range changes. The measurement of the 308 fo implicit carrier phase observable φ involves very little noise and multipath errors, compared to the measurement of the C/A code group delay observable τ. However, the error in the measurement of the 308 fo implicit carrier phase observable φ is due to the atmosphere is exactly the same magnitude as the error in the measurement of the C/A code group delay observable τ due to the ionosphere, if both measurements are expressed in equivalent units, for example in units of distance. This error is typically of the order of a distance of 5 to 30 meters.

Wie voranstehend erläutert sind bei der bevorzugten Ausführungsform die Vorzeichen der Messung sowohl der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ als auch der 308- fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ so definiert, daß eine Verschiebung des Satelliten entlang der Beobachtungslinie in Richtung auf die Antenne 22 einen Anstieg bei jeder dieser Messungen hervorruft. Daher wiesen die Wirkungen der Ionosphäre bei diesen Messungen entgegengesetzte Vorzeichen auf. Daher könnten die Ionosphärenwirkungen auf die Ausbreitung von GPS-Signalen 15 typischerweise in der Größenordnung einer äquivalenten Entfernung von 20 Meter liegen, was bei einer Messung der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ als eine Erhöhung der Gruppenverzögerung erscheinen würde, wogegen dieselbe Wirkung bei einer Messung der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ als eine Verringerung der Phasenverzögerung erscheinen würde.As explained above, in the preferred embodiment, the signs of the measurement of both the The C/A code group delay observables τ and 308 fo implicit carrier phase observables φ are defined such that a shift of the satellite along the observation line toward the antenna 22 produces an increase in each of these measurements. Therefore, the effects of the ionosphere in these measurements were of opposite signs. Therefore, the ionospheric effects on the propagation of GPS signals 15 might typically be on the order of an equivalent distance of 20 meters, which would appear as an increase in group delay in a measurement of the C/A code group delay observables τ, whereas the same effect would appear as a decrease in phase delay in a measurement of the 308 fo implicit carrier phase observables φ.

Wie beispielsweise in Fig. 14 gezeigt ist, sind auch die Vorzeichen der L1-fo-Restphasenmessung 718 und der L2-fo- Restphasenmessung 720 so definiert, daß jede dieser Messungen ebenfalls zunehmen würde, falls sich der Satellit mehr in die Nähe bewegte, wobei momentan angenommen wird, daß sich der fo-Trägerphasenschätzwert 742 nicht geändert hat. Da diese Subträger- Phasenmessungen tatsächlich Gruppenverzögerungsmessungen statt Phasenverzögerungsmessungen sind, würden derartige Änderungen dasselbe Vorzeichen aufweisen wie die Änderungen der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ (was bedeutet, daß sie als erhöhte Werte auftauchen würden), statt das Vorzeichen der Änderungen der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ aufzuweisen. Selbstverständlich besteht die übliche Reaktion des fo-Trägerphasenschätzwerts 742 auf eine Bewegung des Satelliten entlang der Beobachtungslinie darin, daß der Wert ansteigt, so daß normalerweise sich weder die L1-fo-Restphasenmessung 718 noch die L2-fo-Restphasenmessung 720 ändern würde.For example, as shown in Figure 14, the signs of the L1 fo residual phase measurement 718 and the L2 fo residual phase measurement 720 are also defined such that each of these measurements would also increase if the satellite moved closer, currently assuming that the fo carrier phase estimate 742 has not changed. Since these subcarrier phase measurements are actually group delay measurements rather than phase delay measurements, such changes would have the same sign as the changes in the C/A code group delay observables τ (meaning they would appear as increased values) rather than having the sign of the changes in the 308 fo implicit carrier phase observables φ. Of course, the usual response of the fo carrier phase estimate 742 to a movement of the satellite along the observation line is for the value to increase, so that normally neither the L1 fo residual phase measurement 718 nor the L2 fo residual phase measurement 720 would change.

Wie aus Fig. 15A hervorgeht, wird die Messung der C/A-Code- Gruppenverzögerungsobservablen τ an den Skalierwandler 920 angelegt, welcher die C/A-Code-Gruppenverzögerungsoberservable τ in der numerischen Darstellung akzeptiert, in welcher sie erzeugt wurde, und den Verzögerungsbereich 922 erzeugt, welcher eine Zahl ist, der die C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservable τ in Einheiten der Entfernung repräsentiert.As shown in Figure 15A, the measurement of the C/A code group delay observable τ is applied to the scaling converter 920, which accepts the C/A code group delay observable τ in the numerical representation in which it was generated and generates the delay range 922, which is a number representing the C/A code group delay observable τ in units of distance.

Die Messung der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ wird an den Skalierwandler 924 angelegt, welcher die Messung der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ in der numerischen Darstellung akzeptiert, in welcher sie erzeugt wurde, und den Phasenbereich 926 erzeugt, welcher eine Zahl ist, welche die 308-fo-implizit-Trägerphasenobservable Φ in denselben Entfernungseinheiten darstellt wie die Verzögerungsentfernung 922.The measurement of the 308 fo implicit carrier phase observable Φ is applied to the scaling converter 924, which accepts the measurement of the 308 fo implicit carrier phase observable Φ in the numerical representation in which it was generated and generates the phase range 926, which is a number representing the 308 fo implicit carrier phase observable Φ in the same distance units as the delay distance 922.

Entsprechend werden die Messungen der L1-Band-implizit-fo- Trägerphasenobservablen ψL1 und der L2-Band-implizit-fo- Trägerphasenobservablen ψL2 an einen Skalierwandler 928 bzw. 932 angelegt, welche die L1-Restentfernung 930 bzw. die L2-Restentfernung 934 erzeugen, in denselben Entfernungseinheiten wie die Phasenentfernung 926 und die Verzögerungsentfernung 922.Accordingly, the measurements of the L1 band implicit fo carrier phase observable ψL1 and the L2 band implicit fo carrier phase observable ψL2 are applied to a scaling converter 928 and 932, respectively, which produce the L1 residual distance 930 and the L2 residual distance 934, respectively, in the same distance units as the phase distance 926 and the delay distance 922.

Die Phasenentfernung 926 und die Verzögerungsentfernung 922 werden an die L1-Entfernungs-Subtraktionsvorrichtung 936 angelegt, welche die Verzögerungsentfernung 922 von der Phasenentfernung 926 subtrahiert, um die L1-Entfernungsdifferenz 938 zu erzeugen, welche wiederum an die Mittlungsvorrichtung 940 angelegt wird. Die Mittlungsvorrichtung 940 erzeugt den Offset-Schätzwert 942 als Mittelwert der L1- Entfernungsdifferenz 938 über einen Zeitraum. Der Zweck dieser zeitlichen Mittlung liegt darin, die Schwankungen der L1-Entfernungsdifferenz 938 auszumitteln oder auszuintegrieren, welche infolge von Rausch- und Mehrwegfehlern auftreten, so daß der Offset-Schätzwert 942 eine gute Schätzung des Offsets darstellt, der in der Phasenentfernung 926 vorhanden ist. Die Länge der Mittlungsperiode kann der gesamte Zeitraum sein, über welchen kontinuierliche Beobachtungen verfügbar sind.The phase distance 926 and the delay distance 922 are applied to the L1 distance subtractor 936, which subtracts the delay distance 922 from the phase distance 926 to produce the L1 distance difference 938, which in turn is applied to the averaging device 940. The averaging device 940 produces the offset estimate 942 as an average of the L1 distance difference 938 over a period of time. The purpose of this temporal averaging is to compensate for the fluctuations in the L1 range difference 938 that occur due to noise and multipath errors so that the offset estimate 942 is a good estimate of the offset present in the phase range 926. The length of the averaging period may be the entire time period over which continuous observations are available.

Andererseits kann es vorzuziehen sein, eine kürzere Mittlungszeit zu verwenden, beispielsweise um die maximal mögliche Zeitdauer zu begrenzen, in welcher die nicht mit einem Offset versehene, exakte Entfernung 936 durch einen zufälligen "Zyklusschlupf" beeinträchtigt werden könnte, oder durch eine stufenförmige Änderung des Offsets der Phasenzahl 626, infolge eines momentanen Ausfalls der Phasenverfolgung in dem Satelliten-Verfolgungskanal 32.On the other hand, it may be preferable to use a shorter averaging time, for example to limit the maximum possible time period during which the unoffset exact range 936 could be affected by a random "cycle slip" or by a step change in the offset of the phase number 626 due to a momentary loss of phase tracking in the satellite tracking channel 32.

Die Phasenentfernung 926 und der Offset-Schätzwert 942 werden an den Offset-Subtrahierer 944 angelegt, welcher den Offset- Schätzwert 942 von der Phasenentfernung 926 subtrahiert, um die exakte, keinen Offset aufweisende Entfernung 935 zu erzeugen, welche daher eine Messung der Entfernung darstellt, welche die räumliche und zeitliche Exaktheit der Phasenentfernung 926 aufweist, und die Freiheit von einer Unsicherheit oder einem Offset der Verzögerungsentfernung 922. Es wird darauf hingewiesen, daß sowohl die Phasenentfernung 926 als auch die Verzögerungsentfernung 922 zur exakten Entfernung 946 ohne Offset beitragen.The phase distance 926 and the offset estimate 942 are applied to the offset subtractor 944, which subtracts the offset estimate 942 from the phase distance 926 to produce the exact, unoffset distance 935, which therefore represents a measurement of the distance having the spatial and temporal exactness of the phase distance 926 and freedom from uncertainty or offset of the delay distance 922. It is noted that both the phase distance 926 and the delay distance 922 contribute to the exact, unoffset distance 946.

In gewissem Sinne kann man sagen, daß das Endgerät 23 Positionsinformation von Beobachtungen der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen T unter Zuhilfenahme von Beobachtungen der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ ableitet. In anderem, ebenso gültigem Sinn läßt sich sagen, daß das Endgerät 23 Positionsinformation von Beobachtungen der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ unter Zuhilfenahme von Beobachtungen der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ ableitet. Tatsächlich empfängt das Endgerät 23 Positionsinformation aus einer Mehrfachkombination der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ und der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ, sowohl während der Messung als nach der Messung im Satelliten-Verfolgungskanal 32. Innerhalb des in Fig. 6 gezeigten Phasen- und Gruppenverzögerungsregister-Subsystems 196, und wie man auch aus der gegenseitigen Verschaltung des Phasenregisters 616 und des Verzögerungsregisters 672 in Fig. 14 ersehen kann, werden die 308-fo-implizit- Trägerphasenobservable Φ und die C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservable τ interaktiv innerhalb des Satelliten-Verfolgungskanals 32 gemessen. Jede Messung der einen hilft der Messung der anderen. Diese Wechselwirkung während der Messung der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ und der C/A-Code- Gruppenverzögerungsobservablen τ ist anders als die Wechselwirkung während der Kombination dieser Observablen nach der Messung und hiervon abtrennbar, die in dem codelosen Doppelband-Phasendetektor 751 durchgeführt wird.In one sense, the terminal 23 can be said to derive position information from observations of the C/A code group delay observable T with the aid of observations of the 308-fo implicit carrier phase observable Φ. In another, equally valid sense, the terminal 23 can be said to derive position information from observations of the 6, and as can also be seen from the interconnection of the phase register 616 and the delay register 672 in FIG. 14, the 308 fo implicit carrier phase observable Φ and the C/A code group delay observable δ are derived from observations of the C/A code group delay observable δ. In fact, the terminal 23 receives position information from a multiple combination of the C/A code group delay observable δ and the 308 fo implicit carrier phase observable Φ, both during measurement and after measurement in the satellite tracking channel 32. Within the phase and group delay register subsystem 196 shown in FIG. 6, and as can also be seen from the interconnection of the phase register 616 and the delay register 672 in FIG. 14, the 308 fo implicit carrier phase observable Φ and the C/A code group delay observable δ are measured interactively within the satellite tracking channel 32. Each measurement of one helps the measurement of the other. This interaction during the measurement of the 308 fo implicit carrier phase observables φ and the C/A code group delay observables τ is different from and separable from the interaction during the post-measurement combination of these observables performed in the codeless dual-band phase detector 751.

Tatsächlich läßt sich diese interaktive Erfassung als Messung einer neuen und unterschiedlichen Observablen ansehen, nämlich der Gruppen-Phasenverzögerungsobservablen. Messungen der Gruppen-Phasenverzögerungsobservablen, die wie voranstehend gezeigt kombiniert werden, bestimmen eine neue Art der Bereichsentfernung zwischen dem Satelliten und dem Empfänger. Das Verfahren kann als eine "Makrobereichs"-Messung bezeichnet werden, und der so gemessene Bereich kann als eine "Makrobereichs"-Entfernung bezeichnet werden.In fact, this interactive acquisition can be viewed as a measurement of a new and different observable, namely the group phase delay observable. Measurements of the group phase delay observables combined as shown above determine a new type of ranging distance between the satellite and the receiver. The process can be referred to as a "macro-ranging" measurement, and the range so measured can be referred to as a "macro-ranging" distance.

Nur die Änderung, und nicht der Mittelwert oder die konstante Komponente des Phasenbereichs 926 während des Beobachtungszeitraums trägt zum exakten Abstand 946 ohne Offset bei. Die mittlere oder konstante Komponente des exakten Bereichs 946 ohne Offset wird durch den Verzögerungsabstand 922 bestimmt. Daher kann man sagen, daß das Endgerät 23 Positionsinformation von Beobachtungen der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ ableitet.Only the change, and not the mean or constant component of the phase range 926 during the observation period contributes to the exact distance 946 without offset. The mean or constant component of the exact range 946 without offset is determined by the delay distance 922. Therefore, the terminal 23 can be said to derive position information from observations of the C/A code group delay observable τ.

Die Messung der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ, die an die Offset-Subtrahiervorrichtung 944 angelegt wird, erhöht allerdings die Messung der Phasenentfernung 926 durch Entfernung von deren Offset, welcher dann, falls er nicht entfernt würde, einen Fehler darstellen würde. Der exakte Abstand 946 ohne Offset, welcher das Ausgangssignal der Offset- Subtraktionsvorrichtung 944 darstellt, ist die Phasenentfernung 926 mit verringertem Offset-Fehler. Die Verzögerungsentfernung 922 trägt zur Vergrößerung der Phasenentfernung 926 dadurch bei, daß sie dabei hilft, dessen Offset-Fehler zu verringern. Daher kann man ebenfalls sagen, daß das Endgerät 23 Positionsinformation von Messungen der 308-fo-implizit- Trägerphasenobservablen Φ unter Zuhilfenahme von Messungen der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ ableitet.However, the measurement of the 308 fo implicit carrier phase observable Φ applied to the offset subtractor 944 increases the measurement of the phase distance 926 by removing its offset, which if not removed would then represent an error. The exact distance 946 without offset, which is the output of the offset subtractor 944, is the phase distance 926 with reduced offset error. The delay distance 922 contributes to increasing the phase distance 926 by helping to reduce its offset error. Therefore, the terminal 23 can also be said to obtain position information from measurements of the 308 fo implicit carrier phase observable Φ. using measurements of the C/A code group delay observable τ.

Der exakte Bereich 946 ohne Offset wird durch Ionosphärenfehler infolge der Ionosphärenfehler beeinträchtigt, die sowohl in dem Verzögerungsabstand 922 als auch in dem Phasenabstand 926 enthalten sind. Um die exakte Entfernung 946 ohne Offset zu korrigieren, wird diese wie nachstehend erläutert mit einer Korrektur kombiniert, welche von der L1-Restentfernung 930 und der L2-Restentfernung 934 abgeleitet wird.The exact range 946 without offset is affected by ionospheric errors due to the ionospheric errors contained in both the delay distance 922 and the phase distance 926. To correct the exact range 946 without offset, it is combined with a correction derived from the L1 residual distance 930 and the L2 residual distance 934, as explained below.

Die L1-Restentfernung 930 und die L2-Restentfernung 934 werden an die L1-L2-Substrahiervorrichtung 948 angelegt, welche die L2-Restentfernung 934 von der L1-Restentfernung 930 subtrahiert, um die L1-L2-Differenz 950 zu erzeugen, welche die Differenz der Ionosphärenverzögerungen der GPS-Signale mißt, die in den beiden Bändern empfangen werden. Die L1-L2-Differenz 950 wird zeitlich gemittelt oder gefiltert in der L1-L2- Differenzmittlungsvorrichtung 952, um den Ionosphärenschätzwert 954 zu erzeugen, welcher einen geglätteten Schätzwert für die Wirkung der Ionosphäre auf die Signale darstellt. Der Grund für die Mittlung oder Filterung, die in der L1-L2-Differenzmittlungsvorrichtung 952 durchgeführt wird, besteht in der Verbesserung des Schätzwertes durch Glätten jeglicher schneller Schwankungen, die infolge von Rauschen oder Mehrwegstörungen und dergleichen in der L1-Restentfernung 930 oder der L2-Restentfernung 934 auftreten können. Normalerweise sind derartige Schwankungen schneller als tatsächliche Schwankungen der Ionosphäre.The L1 residual distance 930 and the L2 residual distance 934 are applied to the L1-L2 subtractor 948, which subtracts the L2 residual distance 934 from the L1 residual distance 930 to produce the L1-L2 difference 950, which measures the difference in the ionospheric delays of the GPS signals, received in the two bands. The L1-L2 difference 950 is time averaged or filtered in the L1-L2 difference averager 952 to produce the ionospheric estimate 954, which is a smoothed estimate of the effect of the ionosphere on the signals. The reason for the averaging or filtering performed in the L1-L2 difference averager 952 is to improve the estimate by smoothing out any rapid fluctuations that may occur in the L1 residual range 930 or the L2 residual range 934 due to noise or multipath and the like. Typically, such fluctuations are faster than actual ionospheric fluctuations.

Allerdings kann sich die charakteristische Zeitskala von auf Mehrfachwege zurückgehenden Schwankungen ändern, abhängig von Umgebungsfaktoren wie beispielsweise der Antennenhöhe, der horizontalen Entfernung zu einem Reflektor, Meeresbedingungen, Schiffsgeschwindigkeit, usw. Daher sollte die Mittlungszeit oder die Filtereigenschaften, die in der L1-L2-Differenzmittlungsvorrichtung 952 verwendet werden, an die momentane Situation angepaßt werden. Schnellere Änderungen der Relativposition der Antenne 22 und möglicher Reflektoren wie beispielsweise der Meeresoberfläche, und ebenso schnelle Änderungen der Position der Antenne 22 in bezug auf den Satelliten, die beispielsweise durch rauhe See hervorgerufen werden, verringern die Kohärenz von Mehrwegfehlern und lassen Integrationsperioden zu, welche so kurz wie beispielsweise eine Minute sind. Weniger schnelle Änderungen können längere Integrationsperioden in der Größenordnung von mehreren Minuten erfordern. Bestimmte Ionosphärenänderungen, die als Ionosphärenausbreitungsstörungen bekannt sind, sind quasi-periodisch mit Quasi-Perioden in der Größenordnung von einer halben Stunde bis zu einer Dreiviertelstunde. Die Länge der Integrationsperioden sollte daher typischerweise weniger als 10 Minuten betragen.However, the characteristic time scale of multipath variations may vary depending on environmental factors such as antenna height, horizontal distance to a reflector, sea conditions, ship speed, etc. Therefore, the averaging time or filter characteristics used in the L1-L2 difference averaging device 952 should be adapted to the current situation. Faster changes in the relative position of the antenna 22 and possible reflectors such as the sea surface, and equally rapid changes in the position of the antenna 22 with respect to the satellite caused, for example, by rough seas, reduce the coherence of multipath errors and allow integration periods as short as, for example, one minute. Less rapid changes may require longer integration periods on the order of several minutes. Certain ionospheric changes, known as ionospheric propagation disturbances, are quasi-periodic with quasi-periods on the order of half an hour to three quarters of an hour. The length of the Integration periods should therefore typically be less than 10 minutes.

Der Ionosphärenschätzwert 954 wird dadurch skaliert, daß er mit einem Faktor von 3600/2329 in der Skaliervorrichtung 956 multipliziert wird. Das Produkt dieser Operation stellt den L1-Ionosphärenschätzwert 958 dar, welcher einen Schätzwert für den Beitrag der Ionosphäre zur exakten Entfernung 946 ohne Offset darstellt. Der L1-Ionosphärenschätzwert 958 wird von der exakten Entfernung 946 ohne Offset durch die Ionosphären- Subtaktionsvorrichtung 960 subtrahiert, um die Vakuumentfernung 962 zu erzeugen, in welcher die Wirkung der Ionosphäre auf die exakte Entfernung 946 ohne Offset im wesentlichen entfernt wurde, wobei die Vakuumentfernung 962 übrig bleibt, welche die zeitliche und den größten Anteil der räumlichen Exaktheit der Phasenentfernung 926 aufrechterhält, und die Freiheit von einer Unsicherheit oder einem Offset der Verzögerungsentfernung 922.The ionosphere estimate 954 is scaled by multiplying it by a factor of 3600/2329 in the scaling device 956. The product of this operation is the L1 ionosphere estimate 958, which is an estimate of the ionosphere contribution to the exact range 946 without any offset. The L1 ionosphere estimate 958 is subtracted from the exact range 946 without offset by the ionosphere subtraction device 960 to produce the vacuum range 962 in which the effect of the ionosphere on the exact range 946 without offset has been substantially removed, leaving the vacuum range 962 which maintains the temporal and most of the spatial accuracy of the phase range 926 and the freedom from uncertainty or offset of the delay range 922.

In Fig. 15B ist die alternative Ausführungsform der Observablen-Kombinationsvorrichtung 701 dargestellt. Diese Ausführungsform wird in Übereinstimmung mit wohlbekannten Vorgehensweisen aus einem konventionellen Kalman-Filter gebildet, oder einer sequentiellen Schätzvorrichtung für minimalisierte Fehlerquadrate.In Fig. 15B, the alternative embodiment of the observable combiner 701 is shown. This embodiment is formed from a conventional Kalman filter, or a sequential minimum squares estimator, in accordance with well-known techniques.

Wie in Fig. 15B gezeigt empfängt das Kalman-Filter 703 in der Kombinationsvorrichtung 701 Messungen der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ, der 308-fo-implizit-Trägerphasenobservablen Φ, der L1-Band-implizit-fo-Trägerphasenobservablen ψL1, und der L2-Band-implizit-fo-Trägerphasenobservablen ψL2 von sämtlichen Satelliten-Verfolgungskanälen 32, und zugehörige Zeitnacheilungsinformation, wie beispielsweise die digitale Echtzeitanzeige 34 von der in Fig. 2 gezeigten Echtzeituhr 36. Weiterhin empfängt das Kalman-Filter 703 externe Information 707, welche Umlaufbahn- und Zeitkorrekturinformation 46 umfassen kann, Phasen- und Verzögerungsbeobachtungen von Küstenstationen 48, und Schiffspositions- und Geschwindigkeitsinformation 50, wie in Fig. 2 gezeigt ist.As shown in Fig. 15B, the Kalman filter 703 in the combiner 701 receives measurements of the C/A code group delay observable τ, the 308 fo implicit carrier phase observable φ, the L1 band implicit fo carrier phase observable ψL1, and the L2 band implicit fo carrier phase observable ψL2 from all of the satellite tracking channels 32, and associated time lag information, such as the real-time digital display 34 from the Fig. 2. Furthermore, the Kalman filter 703 receives external information 707, which may include orbit and time correction information 46, phase and delay observations from shore stations 48, and ship position and speed information 50, as shown in Fig. 2.

In dem Kalman-Filter 703 liegen die bevorzugten Werte für die Standardabweichungen der Eingabemeßfehler, ausgedrückt in Abstandseinheiten, in der Größenordnung von 10 Metern für die C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ, von 1 Meter für die L1-Band-implizit-fo-Trägerphasenobservablen ψL1, und die L2-Band-implizit-fo-Trägerphasenobservablen ψL2, und von 3 Millimetern für die 308-fo-implizit-Trägerphasenobservable Φ.In the Kalman filter 703, the preferred values for the standard deviations of the input measurement errors, expressed in distance units, are on the order of 10 meters for the C/A code group delay observables τ, of 1 meter for the L1 band implicit fo carrier phase observables ψL1, and the L2 band implicit fo carrier phase observables ψL2, and of 3 millimeters for the 308 fo implicit carrier phase observable φ.

Das Kalman-Filter 703 erzeugt Positionsinformation 705, welche die momentanen Schätzwerte umfassen kann, und die geschätzten Kovarianzen der zugeordneten Schätzfehler, und zwar der Variablen, die in der ersten Spalte der in Fig. 15C gezeigten Tabelle aufgeführt sind. Die Variablen und zugehörige Information, die in Fig. 15C gezeigt sind, sind typisch für solche Werte, die zur Bestimmung der Position eines Schiffes mittlerer Größe geeignet sind, beispielsweise eines seismographischen Überwachungsschiffes, wobei das Endgerät 23 des Schiffes mit einer Uhr ausgerüstet ist, die durch einen Frequenzstandard des kommerziell erhältlichen Rubidium-Dampf- Typs gesteuert wird.The Kalman filter 703 produces position information 705, which may include the instantaneous estimates and the estimated covariances of the associated estimation errors of the variables listed in the first column of the table shown in Fig. 15C. The variables and associated information shown in Fig. 15C are typical of those suitable for determining the position of a medium-sized vessel, such as a seismographic survey vessel, the terminal 23 of the vessel being equipped with a clock controlled by a frequency standard of the commercially available rubidium vapor type.

In dem Kalman-Filter 703 wird jede Schätzvariable durch einen Gauss-Markov-Prozeß erster Ordnung modelliert, durch einen integrierten Gauss-Markov-Prozeß, oder durch die Summe von jeweils zweien dieser Prozesse. Wie Fachleuten auf dem Gebiet der Filterung und Schätzwertbildung bekannt ist, ist die Auto-Kovarianz eines Gauss-Markov-Prozesses erster Ordnung eine Exponential-Funktion der Zeitnacheilung, und kann bequemerweise durch zwei Parameter gekennzeichnet werden: die Quadratwurzel der Varianz für eine Nacheilung von Null, SIGMA; und die 1/e Verzögerungs- oder Korrelationszeit, T. Bevorzugte Werte für diese beiden Modell-Parameter sind für jede Variable in der zweiten und dritten Spalte der in Fig. 15C dargestellten Tabelle gezeigt. Es wird darauf hingewiesen, daß in einigen Fällen die bevorzugte Korrelationszeit T erheblich länger ist als jeder mögliche Beobachtungszeitraum. In derartigen Fällen gleicht der Gauss-Markov-Prozeß einem Monte-Carlo-Prozeß.In the Kalman filter 703, each estimator variable is modeled by a first-order Gauss-Markov process, an integrated Gauss-Markov process, or the sum of any two of these processes. As is known to those skilled in the art of filtering and estimation, the Auto-covariance of a first-order Gauss-Markov process is an exponential function of the time lag, and can be conveniently characterized by two parameters: the square root of the variance for zero lag, SIGMA; and the 1/e lag or correlation time, T. Preferred values for these two model parameters are shown for each variable in the second and third columns of the table presented in Fig. 15C. Note that in some cases the preferred correlation time T is considerably longer than any possible observation period. In such cases, the Gauss-Markov process resembles a Monte Carlo process.

Es wird darauf hingewiesen, daß unterschiedliche Sätze von Zustands-Variablen, Modellen- und/oder statistischen Parametrisierungen in anderen Situationen geeigneter sein können. Der in der Tabelle dargestellte Satz ist nahezu ein Minimalsatz in der Hinsicht, daß eine kompliziertere Parametrisierung wünschenswert sein könnte. Beispielsweise könnte die welleninduzierte Bewegung des Schiffes 10 mit Hilfe gedämpfter harmonischer Oszillatoren modelliert werden. Es kann ebenfalls erwünscht sein, Variablen einzuführen, welche die Satelliten-Umlaufbahn und Uhrparameter darstellen.It is noted that different sets of state variables, model and/or statistical parameterizations may be more appropriate in other situations. The set presented in the table is almost a minimum set in the sense that a more complicated parameterization may be desirable. For example, the wave-induced motion of the ship 10 could be modeled using damped harmonic oscillators. It may also be desirable to introduce variables representing the satellite orbit and clock parameters.

Die ersten drei Variablen, Breite, Länge und Höhe, beschreiben die mittlere Kurzzeitposition der Antenne 22, wobei die welleninduzierte Bewegung entfernt ist. Die nächsten beiden Variablen sind die zeitlichen Ableitungen der Breite bzw. Höhe. Die Breite-und die Höhe des Schiffes 10 werden nur durch die Integrale der jeweiligen Ableitungsprozesse modelliert, die in der Tabelle angegeben sind. Die Höhe des Schiffes 10 wird einfach durch den Prozeß erster Ordnung mit den Eigenschaften modelliert, der nach "Höhe" aufgelistet ist.The first three variables, latitude, longitude and altitude, describe the short-term mean position of antenna 22 with the wave-induced motion removed. The next two variables are the time derivatives of latitude and altitude, respectively. The latitude and altitude of vessel 10 are modeled only by the integrals of the respective derivative processes, given in the table. The altitude of vessel 10 is simply modeled by the first order process with the properties listed after "altitude".

Die momentane Position der Antenne 22 wird durch die Summen der Kurzzeitmittelwerte der Breiten-, Längen- und Höhen-Variablen beschrieben, plus den jeweiligen Offsets delta-Breite, delta-Länge, und delta-Höhe. Es kann wünschenswert sein, derartige "delta" oder Positions-Offset-Variable einzuführen, um die welleninduzierte Bewegung des Schiffes 10 zu modellieren. Selbstverständlich neigen diese Offset-Variablen dazu, jede Kurzzeitbewegung der Antenne 22 zu verfolgen oder zu absorbieren.The instantaneous position of antenna 22 is described by the sums of the short-term averages of the latitude, longitude, and altitude variables, plus the respective offsets delta-latitude, delta-longitude, and delta-altitude. It may be desirable to introduce such "delta" or position offset variables to model the wave-induced motion of vessel 10. Of course, these offset variables tend to track or absorb any short-term motion of antenna 22.

Der Epochen-Fehler der Echtzeituhr 36 als Funktion der Zeit wird durch die Summe des "Uhr-Epochen"-Prozesses und des Integrals des "Uhr-Raten"-Prozesses modelliert, die in der Tabelle angegeben sind.The epoch error of the real-time clock 36 as a function of time is modeled by the sum of the "clock epoch" process and the integral of the "clock rate" process, which are given in the table.

Der Offset für die 308-fo-implizit-Trägerphasenobservable Φ für jeden beobachteten Satelliten wird explizit modelliert, durch ein Verfahren, welches einer sehr langsamen Monte-Carlo- Vorgehensweise entspricht.The offset for the 308-fo implicit carrier phase observable Φ for each observed satellite is explicitly modeled, by a procedure equivalent to a very slow Monte Carlo approach.

Der Ionosphären-Entfernungseffekt in der 308-fo-implizit- Trägerphasenobservablen Φ und der C/A-Code-Gruppenverzögerungsobservablen τ wird auf Standardweise modelliert, als das Produkt eines lokalen "Zenith"-Wertes und eines vom Zenith- Winkel abhängigen "Abbildungsfaktors", welcher eine Funktion des lokalen Zenith-Winkels jedes Satelliten darstellt. Die Gauss-Markov-Parameter, die in der Tabelle angegeben sind, beziehen sich auf den Zenith-Wert.The ionospheric range effect in the 308-fo implicit carrier phase observable φ and the C/A code group delay observable τ is modeled in a standard way, as the product of a local "zenith" value and a zenith angle dependent "mapping factor" which is a function of the local zenith angle of each satellite. The Gauss-Markov parameters given in the table refer to the zenith value.

Wie voranstehend erläutert kann die a priori-Unsicherheit des Ionosphären-Parameters so gering sein, daß es nicht erforderlich ist, Offset-Parameter zu schätzen, die sich auf die L1-Band-implizit-fo-Trägerphasenobservable ψL1 und die L2-Band-implizit-fo-Trägerphasenobservable ψL2 beziehen. Allerdings können Offset-Parameter für diese Observablen für jeden Satelliten in dem Satz geschätzter Zustandsvariablen enthalten sein. Sehr schnell nach der Beendigung von Beobachtungen eines bestimmten Satelliten sollten die Schätzwerte für diese Offsets zu den korrekten halbzahligen Werten konvergieren, normalerweise gegen Null. Wurde eine derartige Konvergenz erzielt, so kann ein Offset-Parameter von dem variablen Satz entfernt werden, und auf den geeigneten halbzahligen Wert festgesetzt werden.As explained above, the a priori uncertainty of the ionospheric parameter can be so small that it is not necessary to estimate offset parameters related to the L1-band implicit fo carrier phase observable ΨL1 and the L2-band implicit fo carrier phase observable ΨL2 However, offset parameters for these observables may be included in the set of estimated state variables for each satellite. Very quickly after the cessation of observations of a particular satellite, the estimates for these offsets should converge to the correct half-integer values, usually to zero. Once such convergence has been achieved, an offset parameter can be removed from the variable set and set to the appropriate half-integer value.

Das Kalman-Filter 703 umfaßt vorzugsweise eine Einrichtung zur Überwachung der Gültigkeit seiner Eingangsdaten. Zyklusschlupf bei der Phasenverfolgung, welcher als halbzahlige oder ganzzahlige Stufenänderungen in den Phasenmessungen auftritt, kann durch bekannte Verfahren festgestellt werden. Die Effektivwerte der Differenzen zwischen den beobachteten und den durch ein Modell berechneten Werten der Observablen können ebenfalls gegenüber a priori-Annahmen überwacht und gegen diese geprüft werden. Jede einzelne Beobachtung, die sich um mehr als ein geringes Mehrfaches des geeigneten Effektivwertes unterscheidet, sollte zurückgewiesen werden.The Kalman filter 703 preferably includes means for monitoring the validity of its input data. Cycle slip in phase tracking, which appears as half-integer or whole-integer step changes in the phase measurements, can be detected by known methods. The rms values of the differences between the observed and the model-calculated values of the observables can also be monitored and checked against a priori assumptions. Any individual observation that differs by more than a small multiple of the appropriate rms value should be rejected.

Claims (46)

1. Verfahren zum Herleiten von Positionsinformation aus einem Signal mit Dopplerverschiebung, Spektrumerweiterung und Trägerunterdrückung (15), das von einem die Erde umkreisenden Satellit (12-14) empfangen (22, 24) wird,1. Method for deriving position information from a signal with Doppler shift, spectrum expansion and carrier suppression (15) received (22, 24) by a satellite (12-14) orbiting the earth, wobei das Signal eine erste Komponente mit Spektrumerweiterung und Trägerunterdrückung enthält, die durch einen ersten spektrumerweiternden Code moduliert ist, der bekannt ist, und eine zweite Komponente mit Spektrumerweiterung und Trägerunterdrückung enthält, die nicht durch den ersten Code moduliert ist, sondern durch einen zweiten spektrumerweiternden Code moduliert ist, der eine Codesequenz hat, die unbekannt sein kann,wherein the signal includes a first spectrum-expanded and carrier-suppressed component modulated by a first spectrum-expanding code that is known, and a second spectrum-expanded and carrier-suppressed component that is not modulated by the first code but is modulated by a second spectrum-expanding code that has a code sequence that may be unknown, wobei das Verfahren die Herleitung von Positionsinformation durch Korrelation (226, 632) des ersten bekannten Codes (228, 634) mit der ersten Komponente umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren umfaßt:the method comprising deriving position information by correlating (226, 632) the first known code (228, 634) with the first component, characterized in that the method comprises: (a) Selektion (146, 148, 730, 752) der zweiten Komponente;(a) selection (146, 148, 730, 752) of the second component; (b) Rekonstruktion eines Trägers (150, 728, 750) aus der zweiten Komponente unabhängig von der Codesequenz des zweiten Codes;(b) reconstructing a carrier (150, 728, 750) from the second component independently of the code sequence of the second code; (c) Herleitung eines Schätzwertes (204, 742) der Dopplerverschiebung des Trägers aus der Korrelation des ersten Codes;(c) deriving an estimate (204, 742) of the Doppler shift of the carrier from the correlation of the first code; (d) Verwendung (740, 758) des Schätzwertes zur Bestimmung der Phase des Trägers (206-212, 718, 720); und(d) using (740, 758) the estimated value to determine the phase of the carrier (206-212, 718, 720); and (e) Verbesserung der Positionsinformation durch Kombination der Phase damit (701).(e) Improving the position information by combining the phase with it (701). 2. Verfahren nach Anspruch 1, das die Selektion der zweiten Komponente mittels eines Filters (146, 148) umfaßt, der an das Spektrum des zweiten Codes angepaßt ist.2. Method according to claim 1, which comprises selecting the second component by means of a filter (146, 148) adapted to the spectrum of the second code. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das die Rekonstruktion (150) des Trägers durch Verdopplung der Phase der Komponente umfaßt.3. Method according to claim 1 or 2, which comprises reconstructing (150) the carrier by doubling the phase of the component. 4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Phasenverdopplung durch Korrelation der Komponente mit sich selbst ausgeführt wird.4. The method of claim 3, wherein the phase doubling is carried out by correlating the component with itself. 5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Komponente mit sich selbst korreliert wird, indem sie in eine Vielzahl von Anteilen (142, 144) unterteilt wird, und einer dieser Anteile mit einem anderen Anteil gemischt wird.5. The method of claim 4, wherein the component is correlated with itself by dividing it into a plurality of portions (142, 144) and mixing one of these portions with another portion. 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Anteile Spektralanteile sind.6. The method of claim 5, wherein the components are spectral components. 7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Spektralanteile Nebenbande sind.7. The method according to claim 6, wherein the spectral components are side bands. 8. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, das die Selektion einer Vielzahl von Signalkomponenten (142, 144), die durch den zweiten Code moduliert sind, sowie die Rekonstruktion des Trägers durch Korrelation (150) einer der Vielzahl von Signalkomponenten mit einer anderen umfaßt.8. The method of claim 1, 2 or 3, comprising selecting a plurality of signal components (142, 144) modulated by the second code and reconstructing the carrier by correlating (150) one of the plurality of signal components with another. 9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl von Signalkomponenten verschiedene Spektralkomponenten sind.9. The method of claim 8, wherein the plurality of signal components are different spectral components. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das die Selektion einer Vielzahl von Signalkomponenten umfaßt, die jeweils durch den zweiten Code moduliert sind;10. A method according to any one of claims 1 to 9, comprising selecting a plurality of signal components, each modulated by the second code; Rekonstruktion einer Vielzahl von Trägern aus der Vielzahl von Signalkomponenten unabhängig vom zweiten Code;Reconstructing a plurality of carriers from the plurality of signal components independently of the second code; Schätzen der Phase jedes der Vielzahl von Trägern; undestimating the phase of each of the plurality of carriers; and Kombinieren der Phasenschätzwerte der Vielzahl von Trägern zur Verbesserung der Positionsinformation.Combining the phase estimates of the plurality of carriers to improve the position information. 11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Satellit einer einer Vielzahl von Satelliten ist, die gleichzeitig Signale mit einander überlagernden, erweiterten Spektren senden.11. A method according to any preceding claim, wherein the satellite is one of a plurality of satellites simultaneously transmitting signals with overlapping, extended spectra. 12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Satellit ein Satellit des NAVSTAR-GPS ist.12. The method of claim 11, wherein the satellite is a NAVSTAR GPS satellite. 13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der erste Code ein C/A-Code des NAVSTAR-GPS ist.13. The method of claim 12, wherein the first code is a C/A code of the NAVSTAR GPS. 14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der zweite Code ein P-Code des NAVSTAR-GPS ist.14. The method of claim 12 or 13, wherein the second code is a P-code of the NAVSTAR GPS. 15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Information über den zweiten Code nicht zugänglich ist, und das Verfahren die Herleitung verbesserter Positionsinformation aus der Signalkomponente trotz der Nichtzugänglichkeit ermöglicht.15. A method according to any preceding claim, wherein information about the second code is not accessible, and the method enables the derivation of improved position information from the signal component despite the inaccessibility. 16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Phase verwendet wird, um den ionosphärischen Fehler in der Positionsinformation zu verringern.16. A method according to any preceding claim, wherein the phase is used to reduce the ionospheric error in the position information. 17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Phase verwendet wird, um den Vielwegfehler in der Positionsinformation zu verringern.17. A method according to any preceding claim, wherein the phase is used to reduce the multipath error in the position information. 18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Phase verwendet wird, um den systematischen Fehler in der Positionsinformation zu verringern.18. Method according to one of the preceding claims, wherein the phase is used to reduce the systematic error in the position information. 19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Phase verwendet wird, um Zweideutigkeit in der Positionsinformation zu verringern.19. A method according to any preceding claim, wherein the phase is used to reduce ambiguity in the position information. 20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Positionsinformation einen Schätzwert der Entfernung von dem Satelliten zu einem Punkt enthält, an dem das Signal empfangen wird.20. A method according to any preceding claim, wherein the position information includes an estimate of the distance from the satellite to a point at which the signal is received. 21. Verfahren nach Anspruch 20, das umfaßt:21. A method according to claim 20, comprising: Schätzen der Phasenlaufzeit des Signals;Estimating the phase delay of the signal; Schätzen der Gruppenlaufzeit des Signals; undEstimating the group delay of the signal; and Kombinieren der Phasen- und der Gruppenlaufzeitschätzwerte zur Herleitung des Entfernungsschätzwertes.Combine the phase and group delay estimates to derive the range estimate. 22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Punkt sich bewegt und die Kombination von Phasen- und Gruppenlaufzeitschätzwerten zeitlich gemittelt wird, um einen Schätzwert der momentanen Entfernung herzuleiten.22. The method of claim 21, wherein the point is moving and the combination of phase and group delay estimates are time averaged to derive an estimate of the instantaneous range. 23. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Träger ein Hilfsträger ist und die Phase für Modulationsverzögerung steht.23. A method according to any preceding claim, wherein the carrier is a subcarrier and the phase represents modulation delay. 24. Vorrichtung zum Herleiten von Positionsinformation aus einem Signal (15) mit Dopplerverschiebung, Spektrumerweiterung und Trägerunterdrückung, das von einem die Erde umkreisenden Satelliten (12-14) empfangen (22, 24) wird, wobei das Signal eine erste Komponente mit Spektrumerweiterung und Trägerunterdrückung enthält, die durch einen ersten spektrumerweiternden Code moduliert ist, der bekannt ist, und eine zweite Komponente mit Spektrumerweiterung und Trägerunterdrückung enthält, die nicht durch den ersten Code moduliert ist, sondern durch einen zweiten spektrumerweiternden Code moduliert ist, der eine Codesequenz hat, die unbekannt sein kann;24. Apparatus for deriving position information from a Doppler-shifted, spectrum-expanded, carrier-suppressed signal (15) received (22, 24) from an Earth-orbiting satellite (12-14), the signal including a first spectrum-expanded, carrier-suppressed component modulated by a first spectrum-expanding code that is known, and a second spectrum-expanded, carrier-suppressed component that is not modulated by the first code but is modulated by a second spectrum-expanding code that has a code sequence that may be unknown; wobei die Vorrichtung Einrichtungen (226, 632) zur Korrelation des ersten Codes zum Einsatz beim Herleiten einer Positionsinformation durch Korrelation des ersten bekannten Codes (228, 634) mit der ersten Komponente umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung umfaßt:the apparatus comprising means (226, 632) for correlating the first code for use in deriving position information by correlating the first known code (228, 634) with the first component, characterized in that the apparatus comprises: (a) Selektionseinrichtungen (146, 148, 730, 752), die auf das Signal zur Selektion der zweiten Komponente ansprechen;(a) selection means (146, 148, 730, 752) responsive to the signal for selecting the second component; (b) Rekonstruktionseinrichtungen (150, 728, 750), die auf die zweite Komponente ansprechen und unabhängig von der Codesequenz des zweiten Codes einen Träger daraus rekonstruieren;(b) reconstruction means (150, 728, 750) responsive to the second component and reconstructing a carrier therefrom, independent of the code sequence of the second code; (c) Doppler-Schätzeinrichtungen (632, 616, 672), die auf die Einrichtungen zum Korrelieren des ersten Codes ansprechen und einen Schätzwert (204, 742) der Dopplerverschiebung des Trägers herleiten;(c) Doppler estimation means (632, 616, 672) responsive to the means for correlating the first code and deriving an estimate (204, 742) of the Doppler shift of the carrier; (d) Phasenbestimmungseinrichtungen (740, 758), die auf den Schätzwert ansprechen und die Phase des Trägers bestimmen (206-212, 751, 718, 720); und(d) phase determining means (740, 758) responsive to the estimated value and determining the phase of the carrier (206-212, 751, 718, 720); and (e) eine Einrichtung (701) zur Kombination der Phase mit der Positionsinformation zur Verbesserung der Positionsinformation.(e) means (701) for combining the phase with the position information to improve the position information. 25. Vorrichtung nach Anspruch 24, die Filtereinrichtungen (146, 148) umfaßt, die auf das Signal ansprechen, an das Spektrum des zweiten Codes angepaßt sind und der Selektion der Signalkomponente dienen.25. Apparatus according to claim 24, comprising filter means (146, 148) responsive to the signal, adapted to the spectrum of the second code and serving to select the signal component. 26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, die eine Phasenverdopplungseinrichtung (150) umfaßt, die auf die Signalkomponente anspricht und den Träger dur-n Verdopplung der Phase der Komponente rekonstruiert.26. Apparatus according to claim 24 or 25, comprising a phase doubling device (150) responsive to the signal component and reconstructing the carrier by doubling the phase of the component. 27. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei die Phasenverdopplungseinrichtung eine Autokorrelationseinrichtung zur Korrelation der Komponente mit sich selbst umfaßt.27. Apparatus according to claim 26, wherein the phase doubling means comprises an autocorrelation means for correlating the component with itself. 28. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Autokorrelationseinrichtung eine Einrichtung zum Unterteilen der Komponente in eine Vielzahl von Anteilen (142, 144) sowie eine Einrichtung zum Mischen des einen Anteils mit dem anderen Anteil umfaßt.28. Apparatus according to claim 27, wherein the autocorrelation means comprises means for dividing the component into a plurality of portions (142, 144) and means for mixing the one portion with the other portion. 29. Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Anteile Spektralanteile sind.29. The device of claim 28, wherein the components are spectral components. 30. Vorrichtung nach Anspruch 29, wobei die Spektralanteile Nebenbande sind.30. Device according to claim 29, wherein the spectral components are side bands. 31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, die eine Einrichtung zur Selektion einer Vielzahl von Signalkomponenten umfaßt, die von dem zweiten Code moduliert sind, sowie eine Einrichtung zur Rekonstruktion des Trägers durch Korrelation einer der Vielzahl von Signalkomponenten mit einer anderen.31. Device according to one of claims 24 to 26, which comprises a device for selecting a plurality of signal components modulated by the second code, and means for reconstructing the carrier by correlating one of the plurality of signal components with another. 32. Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei die Vielzahl von Signalkomponenten unterschiedliche Spektralkomponenten sind.32. The apparatus of claim 31, wherein the plurality of signal components are different spectral components. 33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 30, die umfaßt33. Device according to one of claims 24 to 30, which comprises Einrichtungen zur Selektion einer Vielzahl von Signalkomponenten, die jeweils durch den zweiten Code moduliert sind;means for selecting a plurality of signal components each modulated by the second code; Einrichtungen zur Rekonstruktion einer Vielzahl von Trägern aus der Vielzahl von Signalkomponenten unabhängig von dem zweiten Code; undmeans for reconstructing a plurality of carriers from the plurality of signal components independently of the second code; and Einrichtungen zum Schätzen der Phase jedes der Vielzahl von Trägern; undmeans for estimating the phase of each of the plurality of carriers; and Einrichtungen zur Kombination der Phasenschätzwerte der Vielzahl von Trägern zur Verbesserung der Positionsinformation.Means for combining the phase estimates of the plurality of carriers to improve the position information. 34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 33, wobei der Satellit einer aus einer Vielzahl von Satelliten ist, die gleichzeitig Signale mit einander überlagernden, erweiterten Spektren senden.34. Apparatus according to any one of claims 24 to 33, wherein the satellite is one of a plurality of satellites simultaneously transmitting signals with overlapping, extended spectra. 35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 34, wobei der Satellit ein Satellit des NAVSTAR-GPS ist.35. Apparatus according to any one of claims 24 to 34, wherein the satellite is a NAVSTAR GPS satellite. 36. Vorrichtung nach Anspruch 35, wobei der erste Code ein C/A-Code des NAVSTAR-GPS ist.36. The apparatus of claim 35, wherein the first code is a C/A code of the NAVSTAR GPS. 37. Vorrichtung nach Anspruch 35 oder 36, wobei der zweite Code ein P-Code des NAVSTAR-GPS ist.37. Apparatus according to claim 35 or 36, wherein the second code is a P-code of the NAVSTAR GPS. 38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 37, wobei Information über den zweiten Code nicht zugänglich ist, und die Vorrichtung die Herleitung verbesserter Positioninformation aus der Signalkomponente trotz der Nichtzugänglichkeit ermöglicht.38. Apparatus according to any one of claims 24 to 37, wherein information about the second code is not accessible, and the apparatus enables the derivation of improved position information from the signal component despite the inaccessibility. 39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 38, die Einrichtungen zum Verwenden der Phase zur Verringerung des ionosphärischen Fehlers in der Positionsinformation umfaßt.39. Apparatus according to any one of claims 24 to 38, comprising means for using phase to reduce ionospheric error in position information. 40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 39, die Einrichtungen zur Verwendung der Phase zur Verringerung des Vielwegfehlers in der Positionsinformation umfaßt.40. Apparatus according to any one of claims 24 to 39, comprising means for using the phase to reduce the multipath error in the position information. 41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 40, die Einrichtungen zur Verwendung der Phase zur Veringerung des systematischen Fehlers in der Positionsinformation umfaßt.41. Apparatus according to any one of claims 24 to 40, comprising means for using the phase to reduce the systematic error in the position information. 42. Vorrichtung nach Anspruch 24 bis 41, die Einrichtungen zur Verwendung der Phase zur Verringerung von Zweideutigkeit in der Positionsinformation umfaßt.42. Apparatus according to claims 24 to 41, comprising means for using the phase to reduce ambiguity in the position information. 43. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 42, die Einrichtungen zum Schätzen der Entfernung von dem Satelliten zu einem Punkt umfaßt, an dem das Signal empfangen wird.43. Apparatus according to any one of claims 24 to 42, comprising means for estimating the distance from the satellite to a point at which the signal is received. 44. Vorrichtung nach Anspruch 43, die des weiteren umfaßt:44. The apparatus of claim 43, further comprising: Einrichtungen zum Schätzen der Phasenlaufzeit des Signals;Means for estimating the phase delay of the signal; Einrichtungen zum Schätzen der Gruppenlaufzeit des Signals; undMeans for estimating the group delay of the signal; and eine Kombinationseinrichtung zur Kombination der Phasen- und Gruppenlaufzeitschätzwerte zur Herleitung des Entfernungsschätzwertes.a combination device for combining the phase and group delay estimates to derive the distance estimate. 45. Vorrichtung nach Anspruch 44, wobei sich der Punkt bewegt, und die Kombinationseinrichtung Einrichtungen zur Zeitmittlung umfaßt, um einen Schätzwert der momentanen Entfernung zu dem sich bewegenden Punkt herzuleiten.45. Apparatus according to claim 44, wherein the point is moving and the combining means comprises time averaging means to derive an estimate of the instantaneous range to the moving point. 46. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Träger ein Hilfsträger ist und die Phase für Modulationsverzögerung steht.46. Device according to one of the preceding claims, wherein the carrier is a subcarrier and the phase represents modulation delay.
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